JP5201457B2

JP5201457B2 - 研磨システム

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Publication number: JP5201457B2
Application number: JP2008149214A
Authority: JP
Inventors: 寛久野沢; 守彦江崎; 清福島; 智之保多
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: JP2009291904A

Description

本発明は、基板を平坦に研磨加工する研磨システムに関し、なお詳細には、基板を保持する基板収容部を有して上下の定盤の間に配設されるキャリア、上下の定盤よりも大径の円環状に形成されたキャリア定盤、及びキャリア定盤を回転させることにより上下の定盤間に挟持されたキャリアを回転させるキャリア定盤駆動機構を備えた研磨システムに関する。

上定盤、下定盤、基板を保持する基板収容部を有し上下の定盤の間に配設されるキャリア、及び上下の定盤間に挟持されたキャリアを回転させるキャリア駆動機構を備えた研磨システムとして、基板の上下両面を平坦に研磨する両面ラップ装置や両面ＣＭＰ装置等の研磨装置が広く知られている。このような研磨装置のキャリア駆動機構は、一般的に、下定盤の中心を貫通して上方に突出する太陽歯車、下定盤の外周を囲んで配設された内歯歯車、キャリアの外周に形成され太陽歯車及び内歯歯車と噛合する遊星歯車、及び太陽歯車を上下に延びる中心軸廻りに回転駆動する太陽歯車駆動構造などを備えて構成される。そして、キャリアの基板収容部に研磨対象の基板を保持させて上下の定盤間に挟持させ、研磨液を供給しながら上下の定盤をそれぞれ回転させるとともに、太陽歯車を回転させて上下定盤間でキャリアを遊星運動させ、これにより基板の上下両面を平坦に研磨するように構成されていた（例えば、特許文献１，特許文献２を参照）。
特開２００３−３１１６０８特開２００７−３０１６５０

ところが、上記のような従来の研磨装置では、下定盤の中心に上方に突出して太陽歯車が配設されることから、研磨可能な基板サイズは定盤直径の半分以下に制限される。近年では、液晶表示装置の大型化に伴い、大型のガラス基板を平坦に両面研磨する研磨システムが必要とされるところ、上記のような従来の研磨装置をそのまま大型化すれば装置全体が巨大化してしまう。そこで、上下の定盤よりも大径の円環状で内周にキャリアが接続され、上下に延びる仮想中心軸廻りに回転自在に支持されたキャリア定盤と、このキャリア定盤を回転駆動するキャリア定盤駆動機構を備えた研磨システムが鋭意研究されている。

上記のようなキャリア定盤を備えた研磨システムでは、キャリア定盤が中空の円環状であるため回転中心に軸を設けることができない。そのため、キャリア定盤駆動機構は、キャリア定盤の周面（外周面または内周面）に接するローラ及びこのローラを回転駆動するローラ駆動モータを有するローラ駆動ユニットをキャリア定盤の周りに複数備えて構成され、各ユニットのローラ駆動モータを同期回転させることにより、各ローラを介してキャリア定盤を回転させるように構成される。このような研磨システムのキャリア定盤は、直径が概ね３ｍ以上にもなることから旋削等により成形することが困難であり、例えば、細長い帯板状に切断した鋼材をベンディングロール等により円弧状に成形し、上下に円環部材を溶接する等により形成される。そのため、ローラの接する周面がきれいな円形にならず、キャリア定盤を回転させたときに周面が径方向に大きく振れる状況が発生する。

その結果、キャリア定盤の仕上がりによってローラが周面から離れて回転駆動力が伝達されない場合やローラに過大な負荷が生じるなど、円滑な回転伝達が難しいという課題があった。また、キャリア定盤の回転速度（rad/sec）を一定とした場合に、回転中心から異なる半径位置の周面では周速（線速度m/sec）が異なることから、複数のローラ駆動ユニットでユニットごとにローラの回転速度と当該ローラが接触する周面の周速とに差異が生じ、接触状態の均一化や効率的な回転伝達が難しいという課題が生じていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ローラ駆動ユニットのローラとキャリア定盤の周面との接触状態を均一化し効率的な回転伝達を可能とした研磨システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の研磨システムは、上下に対向して設けられた円盤状の上定盤及び下定盤、基板を保持する基板収容部を有し上定盤と下定盤との間に配設されるキャリア、上定盤及び下定盤よりも大径の円環状に形成されて内周にキャリアが接続されたキャリア定盤、及びキャリア定盤を回転させることにより上定盤と下定盤との間に挟持されたキャリアを回転させるキャリア定盤駆動機構を備えて構成される。キャリア定盤駆動機構は、外周面がキャリア定盤の周面に接し上下に延びるローラ軸廻りに回動自在に支持されたローラ、ローラを回転駆動するローラ駆動モータ、及びローラをキャリア定盤の径方向に移動させるローラ移動構造を有し、ローラをローラ駆動モータにより回転駆動してキャリア定盤を回転させる複数のローラ駆動ユニットからなる。そして、この研磨システムでは、各ローラ駆動ユニットにおけるローラの配設領域を通るキャリア定盤の周面の径方向位置を検出する径方向位置検出手段（例えば、実施形態における径方向位置検出部１６０，１６０´）と、各ローラ駆動ユニットのローラ移動構造によるローラの移動位置及びローラ駆動モータによるローラの回転速度を制御する制御装置とを備え、制御装置が、径方向位置検出手段により検出される周面の径方向位置に応じて、キャリア定盤の周面と各ローラ駆動ユニットのローラとの接触状態が一定になるように、各ローラ駆動ユニットにおけるローラの移動位置及び回転速度を制御するように構成される。

なお、前記径方向位置検出手段（例えば、実施形態における径方向位置検出部１６０）は、キャリア定盤の周面の形状が予め設定記憶されたメモリと、キャリア定盤の回転角度位置を検出する角度位置検出装置とからなり、メモリに設定記憶された周面の形状と角度位置検出装置により検出されたキャリア定盤の回転角度位置とに基づいて、ローラ駆動ユニットにおけるローラの配設領域を通る周面の径方向位置を検出するように構成することが好ましい。

あるいは、前記径方向位置検出手段（例えば、実施形態における径方向位置検出部１６０´）は、キャリア定盤の回転に伴って変位する周面の変位状態を検出する周面変位検出装置からなり、周面変位検出装置により検出される周面の変位状態に基づいて、各ローラ駆動ユニットにおけるローラの配設領域を通る周面の径方向位置を検出するように構成することが好ましい。

また、各前記ローラ駆動ユニットは、ローラが設けられたローラアームと、ローラアームをキャリア定盤の径方向に移動自在に支持しローラ移動構造によりキャリア定盤の径方向に移動されるスライドブロックと、ローラアームとスライドブロックとの間に介装されてローラを周面に付勢するバネとを備え、ローラが周面に略一定の付勢力で押接されるように構成することが好ましい。

本発明の研磨システムでは、キャリア定盤の周面の径方向位置を検出する径方向位置検出手段と、各ローラ駆動ユニットにおけるローラの移動位置及び回転速度を制御する制御装置とを備え、制御装置が、径方向位置検出手段により検出される周面の径方向位置に応じて、各ローラ駆動ユニットのローラの接触状態が一定になるように各ローラ駆動ユニットのローラの移動位置及び回転速度が制御される。このような構成によれば、キャリア定盤の周面に径方向の振れがあっても、この径方向の振れに応じて各ローラ駆動ユニットのローラの位置および回転速度が制御されるため、キャリア定盤の周面とローラとの接触状態を均一化することができ、効率的な回転伝達が可能な研磨システムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を適用した研磨システム１を側方から見た状態の概念図を図２に、図２中のIII−III矢視方向に見た平面図を図３に示しており、まず研磨システム１の全体構成について概要説明する。なお、説明の便宜上から、図２では、キャリア及びキャリア定盤を断面図で示している。

研磨システム１は、上下に対向して設けられた円盤状の上定盤１０及び下定盤２０、基板Ｗを保持する基板収容部を有し上定盤１０と下定盤２０との間に配設されるキャリア３０、上下の定盤１０，２０よりも大径の円環状に形成されて内周にキャリア３０が接続されたキャリア定盤４０、キャリア定盤４０を回転させることにより上定盤１０と下定盤２０との間に挟持されたキャリア３０を回転させるキャリア定盤駆動機構５０、及び研磨システム１の作動を制御する制御装置８０を備えて構成される。

上定盤１０及び下定盤２０は、直径が２〜４[m]程度の大型で略同径の円盤状をなし、上定盤１０の上面中心に上方に延びる上定盤回転軸１２、下定盤２０の下面中心に下方に延びる下定盤回転軸２２が固定されている。上定盤回転軸１２には上定盤駆動機構１５、下定盤回転軸２２には下定盤駆動機構２５が接続されており、上下の定盤が各回転１２，２２の軸廻りにそれぞれ独立して水平面内で回転可能に構成される。上定盤１０の下面、及び下定盤２０の上面は、ともに高い平面度に加工されたうえ、加工液を各部に供給するための溝が格子状に形成されて研磨面１１，２１が形成される。なお、研磨システム１で両面ＣＭＰ加工を行うような場合には、例えば、微細な独立発泡気泡を内包するポリウレタン製の研磨パッドが貼り付けられて研磨面が形成される。

上定盤１０は、図示省略する上定盤移動機構により、下定盤２０と対向した対向位置と下定盤２０の上方から側方に退避した退避位置とに移動可能、対向位置において上下に移動可能に配設されるとともに、基板Ｗを上下の研磨面１１，２１の間に挟み込んだ状態で下向きに加圧する加圧構造が設けられており、制御装置８０において設定された任意の研磨圧力で基板Ｗの両面を研磨可能に構成されている。

キャリア３０は、基板Ｗの厚さよりも幾分薄い円盤状で、円盤内に基板Ｗを保持する基板収容部３１が上下貫通して形成されている。基板収容部は、研磨対象である基板Ｗの外形寸法よりもわずかに大きい枠状に形成されており、下定盤２０の上面に支持されたキャリア３０の基板収容部３１に基板Ｗを装着することにより、基板Ｗの外周端面が基板収容部３１に保持される。

キャリア定盤４０は、上定盤１０及び下定盤２０よりも大径の円環状をなし、例えば、直径が３〜５[m]程度、円環部の幅及び高さが１５０〜２００[mm]程度の円環状に形成される。キャリア定盤４０は、下定盤２０の外周側に位置して設けられた複数の円筒状のローラ４２に支持されており、上下の定盤の外周側に位置して回転自在に配設される。キャリア定盤４０の内周側には、キャリア３０の外周部と係合して回転トルクを伝達するキャリア係合部が形成されており、キャリア係合部を介して接続されたキャリア３０にキャリア定盤４０の回転トルクが伝達される。

キャリア定盤駆動機構５０は、キャリア定盤４０の外周に位置して設けられた複数のローラ駆動ユニット（図示する構成例において４つのローラ駆動ユニット）１００からなり、複数のローラ駆動ユニット１００でキャリア定盤４０を回転させることによりキャリア係合部を介してキャリア３０を回転させる。キャリア定盤駆動機構５０については後に詳述するが、各ローラ駆動ユニット１００には、キャリア定盤４０の外周面４５に接するローラ１１０及びローラ１１０を回転駆動するローラ駆動モータ１１５が備えられており、制御装置８０がローラ駆動モータ１１５の回転を制御することにより、ローラ１１０を介してキャリア定盤４０を平面視における時計廻りまたは反時計回りに回転させる。キャリア定盤回転機構５０の複数のローラ駆動機構１００，１００…は、キャリア定盤回転機構５０のベースフレーム１５１に固定され、キャリア定盤回転機構５０全体が上下の定盤１０，２０の回転中心に対して相対揺動するように構成されている。

研磨システム１において基板Ｗの研磨加工を行う際には、まず上定盤１０を下定盤２０の側方に退避させた退避位置に設定し、基板Ｗを上方から搬入しキャリア３０の基板収容部３１に収容して下定盤２０に支持させる。次いで、上定盤１０を下定盤２０上方の対向位置に設定して下動させ、上下の定盤の研磨面１１，２１の間に基板Ｗを挟持する。そして、研磨加工部に加工液を供給しながら上定盤駆動機構１５及び下定盤駆動機構２５により上下の定盤１０，２０を逆方向または同一方向に回転させ、加圧構造により所定の加工圧に設定した状態で、キャリア定盤駆動機構５０によりキャリア３０を回転させる。これにより基板Ｗの上下両面が設定された加工圧で同時に研磨加工される。

このように概要構成される研磨システム１にあって、キャリア定盤４０は、前述したように大径かつ中空の円環状であることから、これを一体の部材から切り出して旋削等により形成することは生産コストや部材重両などの観点から困難である。そこで、一般的には、円環を複数に分割した板状の円弧状部材を溶接やボルト締結等により接合して上下一対の円環部材を形成するとともに、キャリア定盤の高さに合わせた帯板状部材をベンディングロールまたはプレスブレーキ等により外周面の曲率に合わせて円弧状に成形して複数の周面部材を形成し、上下の円環部材の外周に周面部材を接合する等の手段により一体の円環状に構成される。

このような構成から、キャリア定盤４０の外周面４５のプロフィール（輪郭形状）は、全体として円形であるものの、うねりを伴った凹凸のある形状であり、輪郭形状を円に近似したときの仮想中心から外周面４５までの半径距離が周方向の角度位置によって異なっている（図５を参照）。このことは、キャリア定盤４０を回転させたときにローラ位置を通る外周面４５が径方向に変位することを意味し、発明者らの研究によれば、外径がφ３．５ｍのキャリア定盤について複数台を計測したところ、外周面４５が５〜１５ｍｍ程度径方向に振れること（以下、「面振れ」という）が確認された。

その結果、ローラ１１０をキャリア定盤４０の径方向に揺動変位自在な揺動アームの先端に取り付け、揺動アームをバネでキャリア定盤の内径方向に付勢して、ローラ１１０をキャリア定盤の外周面に弾性的に接触させるように構成した場合に、キャリア定盤の外周面４５の面振れが揺動アームの揺動範囲よりも大きいと、ローラ１１０が外周面４５から離れて回転駆動力が伝達されない場合や、ローラ及び揺動アームに過大な力が作用する場合が生じる。また、揺動アームの揺動範囲を拡大すればキャリア定盤の外周面４５とローラ１１０との弾性的な接触は保持可能であるが、揺動アームの位置変化はこれに比例した押圧力の変化をもたらすことになり、負荷抵抗が変化して円滑な回転伝達が難しい。

さらに、キャリア定盤４０の回転速度ω[rad/sec]を一定とした場合に、回転中心から異なる半径距離にある外周面の線速度すなわち周速ｖ[mm/sec]は異なったものとなる。このため、複数のローラ駆動ユニット１００についてローラ駆動モータを同一回転速度で制御した場合に、ユニットごとにローラ１１０の外周面の周速と当該ローラが接触するローラ位置の外周面の周速とに差異が生じ、あるローラ駆動ユニットでは接触部においてローラがブレーキ方向に作用し、他のユニットではローラが加速方向に作用するような状態となり、これによっても接触状態の均一化や効率的な回転伝達が難しい。

研磨システム１では、各ローラ駆動ユニット１００のローラ位置を通るキャリア定盤の外周面４５の径方向位置を検出する径方向位置検出部１６０を備えるとともに、各ローラ駆動ユニット１００にはローラ１１０をキャリア定盤４０の径方向に移動させるローラ移動構造１５０を備え、制御装置８０が、径方向位置検出部１６０により検出される径方向位置に応じて、キャリア定盤の外周面４５と各ローラ駆動ユニットのローラ１１０との接触状態が一定になるように、ローラ移動構造１５０によるローラの移動位置、ローラ駆動モータ１１５によるローラの回転速度を制御する。

ローラ駆動ユニット１００は、側面視における概要構成を図１に示すように、ローラ１１０をローラ軸１１２廻りに回動自在に支持するローラアーム１２０、ローラアーム１２０に設けられ減速機を介してローラ１１０を回転駆動するローラ駆動モータ１１５、ローラアーム１２０をスライドガイド１２５を介してキャリア定盤４０の径方向に移動自在に支持するスライドブロック１３０、ローラアーム１２０とスライドブロック１３０との間に介装されてローラアーム１２０をキャリア定盤４０の内径方向に付勢するバネ１２７、スライドブロック１３０をキャリア定盤４０の径方向に移動させるローラ移動構造１５０などを備えて構成される。

ローラ移動構造１５０は、各ローラ駆動ユニット共通の基台であるベースフレーム１５１と、ベースフレーム１５１とスライドブロック１３０との間に設けられてスライドブロック１３０をキャリア定盤４０の径方向にスライド自在に支持するスライドガイド１５２、キャリア定盤４０の径方向に延びて回動自在に支持されたボールネジ１５４及びこのボールネジ１５４の軸端に結合されてボールネジ１５４を回転駆動するローラ移動モータ１５５、スライドブロック１３０に設けられボールねじ１５４に螺合されたボールナット１５６が結合されたナットフランジ１３６などから構成される。

制御装置８０は、径方向位置検出部において検出される外周面４５の径方向位置に応じて、ローラ移動構造１５０におけるローラ移動モータ１５５、及びローラ駆動モータ１１５によるローラ１１０の回転速度を制御する。

第１構成形態の研磨システム１では、径方向位置検出部１６０が、キャリア定盤の外周面４５の形状が予め設定記憶されたメモリ８１と、キャリア定盤４０の回転角度位置を検出する角度位置検出装置１６１とからなり、メモリ８１に設定記憶された外周面の形状と角度位置検出装置１６１により検出されたキャリア定盤４０の回転角度位置とに基づいて、各ローラ駆動ユニット１００におけるローラ１００の配設領域を通る外周面の径方向位置を検出するように構成される。この研磨システム１について、図４に示すブロック図を参照しながら説明する。

キャリア定盤の外周面４５の輪郭形状（プロフィール）が予め計測され、制御装置８０内のメモリ８１に設定記憶されている。具体的には、キャリア定盤４０を上方から見たときの模式図を図５に示すように、予め計測された外周面４５のプロフィールＰｆを公知の画像処理手法により円Ｃに近似して仮想中心Ｏ及び半径Ｒを求め、仮想中心Ｏを通り所定の角度姿勢を基準とした座標系を設定して、外周面上の任意位置Ｐを仮想中心Ｏからの半径距離ｒと周方向の角度θとによりＰ（ｒ，θ）のように規定したプロフィールＰｆがメモリ８１に設定記憶されている。

一方、角度位置検出装置１６１は、上記座標系に対応して設定したキャリア定盤４０の基準角度位置を検出する基準位置検出センサ１６２、キャリア定盤４０の回転速度を検出するための回転検出センサ１６５を主体とし、これらの検出信号から制御装置８０のＣＰＵ（演算処理部）８２によりキャリア定盤４０の角度姿勢を算出するように構成される。

基準位置検出センサ１６２は、キャリア定盤４０の回転中にキャリア定盤４０に設定された基準部材を検出することで、キャリア定盤４０の基準角度位置を検出する。例えば、図５に示したように、キャリア定盤４０の上面に遮蔽板１６３を立設する一方、遮蔽板１６３の通過位置の内周側と外周側に投光部１６２ａ及び受光部１６２ｂからなるフォトインタラプタ形態の基準位置検出センサ１６２を設け、キャリア定盤４０の回転に伴う遮蔽板１６３の通過タイミングを検出することによりキャリア定盤４０の基準回転位置（例えばθ＝０度）を検出する。

一方、回転検出センサ１６５は、回転中のキャリア定盤４０の現実の回転速度を検出するためのセンサであり、キャリア定盤４０に仮想中心Ｏを中心とした所定角度ピッチで固着された被検出体１６６を検出する。キャリア定盤４０の回転に伴い回転検出センサ１６５から出力される検出信号は、キャリア定盤４０の回転速度に比例した周波数のパルス状の信号となり、この検出信号の単位時間当たりのパルス数をカウントすることによりキャリア定盤４０の回転速度ω[rad/sec]を算出することができる。例えば、キャリア定盤の外周面４５に、仮想中心Ｏを中心として５度ピッチで磁石（被検出体）１６６を固着し、磁気センサ形態の回転検出センサ１６５で検出した場合、キャリア定盤４０が３６０度回転したときに７２のパルスが検出される。従って１秒間に１２パルス検出されたとすれば、その時のキャリア定盤４０の回転速度ωは１０[r.p.m]＝π/３[rad/sec]と算出される。

そして、基準位置検出センサ１６２により検出されたキャリア定盤４０の基準角度位置と、回転検出センサを１６５の検出信号に基づいて検知されたキャリア定盤４０の回転速度ωとから、任意の時刻におけるキャリア定盤４０の角度姿勢を検知することができ、メモリ８１に設定記憶された外周面４５のプロフィールＰｆを当該角度姿勢に回転させることにより、各ローラ駆動ユニット１００（１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）のローラ１１０が位置すべき外周面４５の径方向位置を求めることができる。例えば、ローラ駆動ユニット１００Ａのローラ位置を通る外周面４５の位置Ｐ_A（ｒ_A，θ_A）から、このローラ駆動ユニット１００Ａのローラ１１０が位置すべき径方向位置が求められる。

制御装置８０は、このようにして求めた径方向位置及び回転速度に応じて、ローラ移動構造１５０におけるローラ移動モータ１５５、及びローラ駆動モータ１１５によるローラ１１０の回転速度を制御する。例えば、近似円Ｃの半径位置をローラ移動位置及びローラ回転数の基準とした場合に、キャリア定盤の外周面４５が近似円Ｃの外側にδ_A振れるローラ駆動ユニット１００Ａについて、外周面４５の半径位置の変化に応じてスライドブロック１３０がキャリア定盤４０の外径方向にδ_A移動するようにローラ移動モータ１５５の回動を制御し、バネ１２７により付勢されたローラ１１０が所定の接触圧でキャリア定盤の外周面４５に押接されるように制御する。また、ローラ１１０の外周面の周速が、半径位置ｒ_Aの外周面の周速と合致するようにローラ駆動モータ１１５の回転速度を制御する。

同様に、キャリア定盤の外周面４５が近似円Ｃの内側にδ_C振れるローラ駆動ユニット１００Ｃについて、外周面４５の半径位置の変化に応じてスライドブロック１３０がキャリア定盤４０の内径方向にδ_C移動するようにローラ移動モータ１５５の回動を制御し、このローラ駆動ユニット１００Ｃのローラ１１０が、ローラ駆動ユニット１００Ａのローラと同一の接触圧でキャリア定盤の外周面４５に押接されるように制御する。また、ローラ１１０の外周面の周速が、半径位置ｒ_Cの外周面の周速と合致するようにローラ駆動モータ１１５の回転速度を制御する。

すなわち、制御装置８０は、回転検出センサ１６５の検出信号により検知されたキャリア定盤４０の回転速度ω[rad/sec]を基準としてローラ駆動ユニット全体の速度制御を行い、径方向位置検出器により検知される近似円Ｃと各ローラ駆動ユニットのる径方向位置との差δ_A，δ_C等に応じて個々のローラ駆動ユニットの各ローラ１１０の移動位置及び回転速度を制御する。

このため、キャリア定盤４０は、近似円Ｃの仮想中心Ｏを通って上下に延びる仮想回転軸を中心とした軸廻りに一定の回転速度ωで回転駆動される。このとき、各ローラ駆動ユニット１００（１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）においては、各ローラ１１０が常に一定の接触圧でキャリア定盤の外周面４５に押接され、かつ、すべてのローラにおいてキャリア定盤の外周面と速度差がない状態で回転駆動力が伝達される。従って、各ローラの偏摩耗を生じたり周速差によるエネルギーロスを生じたりすることがなく、安定的かつ効率的な回転伝達が可能となる。また、キャリア定盤４０とともにキャリア３０が仮想中心軸を中心として滑らかに回転駆動されるため、キャリア３０に保持された基板Ｗの回転軸がぶれたり不連続な動きをしたりすることがなく、これにより研磨加工を安定化して研磨品質を向上させることができる。

なお、キャリア定盤の外周面４５は、径方向に面振れを生じるのみならず、上下方向にも歪んで波打っており、キャリア定盤４０を回転させたときに被検出体である磁石列が径方向及び上下方向に変位する。従って、回転検出センサ１６５をベースフレーム１５１に固定した場合には、被検出体１６６が回転検出センサ１６５の検出領域から外れてしまう可能性がある。そこで、研磨システム１では、回転検出センサ１６５をローラアーム１２０の先端部に設け、回転検出センサ１６５がキャリア定盤の外周面４５と常に一定間隔で対向するように構成している。

また、図６に示すように、複数の回転検出センサ１６５をローラアーム１２０の先端部に上下方向に並べ、キャリア定盤４０の回転に伴って被検出体１６６が上下方向に相対変位したときに、少なくともいずれかの回転検出センサ１６５が被検出体１６６を検出するように配設する。そして、これら複数の回転検出センサ１６５，１６５…の出力回路を並列に接続してワイヤードＯＲ回路を形成し、チャタリング防止のためローパスフィルタ回路を介装して構成する。このため、キャリア定盤４０が回転された状態において被検出体１６６が確実に転検出センサ１６５に検出され、キャリア定盤４０の回転速度ωが常に安定的に高い精度で検出されるようになっている。検出されたキャリア定盤４０の実回転速度は、上記のようにローラ駆動ユニット全体の速度制御にフィードバックされるとともに、制御装置８０に設けられた回転表示器８８に表示される。

なお、ローラアーム１２０の先端部に、被検出体１６６が相対変位する高さ範囲に対応して回転検出センサ１６５を上下移動自在に配設するとともに、この回転検出センサ１６５を上下移動させるセンサ移動構造を設け、制御装置８０がキャリア定盤４０の回転角度姿勢に応じて、回転検出センサ１６５を上下移動させるように構成してもよい。すなわち、前述した座標系におけるキャリア定盤の外周面４５の輪郭形状とともに被検出体１６６の上下方向の位置をメモリ８１に記憶させておき、角度位置検出装置１６１により検知されるキャリア定盤４０の回転角度姿勢と、メモリ８１に記憶された角度位置に対応する被検出体１６６の高さ位置とに基づいて回転検出センサ１６５を上下に移動制御する。このような構成においても、被検出体１６６が確実に回転検出センサ１６５に検出され、キャリア定盤４０の回転速度を安定的に高い精度で検出することができる。

次に、第２構成形態の研磨システム１´について、図４に対応して図７に示すブロック図、及び図５に対応して図８に示す模式図を参照しながら説明する。この研磨システム１´では、径方向位置検出部１６０´が、キャリア定盤４０の回転に伴って変位する外周面４５の変位状態を検出する周面変位検出装置２６１からなり、周面変位検出装置により検出される周面の変位状態に基づいて、各ローラ駆動ユニットにおけるローラの配設領域を通る周面の径方向位置を検出するように構成される。

周面変位検出装置２６１は、キャリア定盤４０の外周面４５の径方向位置を検出する周面位置検出センサ２６２と、キャリア定盤の回転状態を検出する回転検出センサ１６５とを主体とし、これらの検出信号からＣＰＵ（演算処理部）８２により周面の変位状態を算出するように構成される。

周面位置検出センサ２６２は、ローラ駆動ユニット１００に対して所定の角度位置（図示する構成形態においてローラ駆動ユニット１００Ａに対してθ_a＝π/４[rad]の角度位置）に設けられており、例えば、キャリア定盤の外周面４５に対向して設けたレーザ変位計、あるいはキャリア定盤の外周面４５の上方に設けたＣＣＤカメラとこのＣＣＤカメラにより撮影された画像を解析する画像処理装置などにより構成することができ、キャリア定盤４０の回転に伴って径方向に変位する当該角度位置における外周面４５の径方向位置を検出する。

また、キャリア定盤の回転状態を検出する回転検出センサ１６５は、第１構成形態の研磨システム１と同様に構成され、キャリア定盤４０の外周面４５に仮想中心Ｏを中心として所定角度ピッチで固着した被検出体１６６を、ローラアーム１２０の先端部に複数並べて設けた回転検出センサ１６５により検出して、単位時間当たりに検出されたパルス数をカウントすることにより、キャリア定盤４０回転速度ω[rad/sec]を検出するように構成される。

制御装置８０は、このようにして検出された周面位置検出センサ２６２の配設角度位置における外周面４５の径方向位置と、キャリア定盤４０の回転速度とに基づいて、各ローラ駆動ユニット１００のローラ１１０の移動位置及び回転速度を制御する。

例えば、周面位置検出センサ２６２の配設角度位置とローラ駆動ユニット１００Ａの配設角度位置とがなす相対角θ_a＝π/４[rad]と、キャリア定盤４０の回転速度ω[rad/sec]とから、周面位置検出センサ２６２により検出された外周面４５がローラ駆動ユニット１００Ａの角度位置に到達するまでの時間ｔ_a[sec]が算出される。すなわち、ローラ駆動ユニット１００Ａの配設位置では、ある瞬間に周面位置検出センサ２６２において検出された変位量δ_pの外周面４５がｔ_a[sec]遅れて到達し、同一の変位波形が遅延時間ｔ_a[sec]で周期的に再生される。他のローラ駆動ユニット１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄについても同様であり、周面位置検出センサ２６２との相対角に応じた遅延時間で同じ変位波形が再生される。

図９は、この様子を模式的に示した図であり、周面位置検出センサ２６２において検出される外周面４５の変位波形は、仮想中心Ｏを中心とする仮想円Ｃを直線に展開した基線Ｂに対して上下に振れる変位波形となり、一定の周期Ｔで繰り返される。９０ピッチの等角配置としたローラ駆動ユニット１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄの配設位置では、周面位置検出センサ２６２において検出された外周面４５の変位波形を、それぞれ遅延時間Ｔ/８，３Ｔ/８，５Ｔ/８，７Ｔ/８遅らせた波形が各ローラ位置を通る外周面４５の径方向位置の波形となる。

制御装置８０は、周面位置検出センサ２６２において検出された外周面４５の変位波形に基づき、各遅延時間分遅らせた移動位置にローラ１１０が位置するようにローラ移動モータ１５５の回動を制御し、各ローラ１１０が所定の接触圧でキャリア定盤の外周面４５に押接されるように制御する。また、各ローラの回転速度は、ローラ１１０の外周面の周速が、周面位置検出センサ２６２により検出された外周面４５の半径位置（仮想円Ｃの半径Ｒ＋変位量δ）における周速と合致するようにローラ駆動モータ１１５の回転速度を制御する。

このような研磨システム１´によれば、第１構成形態の研磨システム１と同様にキャリア定盤４０が仮想回転軸を中心とした軸廻りに一定の回転速度ωで回転駆動される。各ローラ駆動ユニット１００（１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）においては、各ローラ１１０が常に一定の接触圧でキャリア定盤の外周面４５に押接され、かつ、すべてのローラにおいてキャリア定盤の外周面４５と速度差がない状態で回転駆動力が伝達される。従って、各ローラの偏摩耗を生じたり周速差によるエネルギーロスを生じたりすることがなく、安定的かつ効率的な回転伝達が可能となる。また、キャリア３０がキャリア定盤４０とともに仮想中心軸を中心として滑らかに回転駆動されるため、キャリア３０に保持された基板Ｗの回転軸がぶれたり不連続な動きをしたりすることがなく、これにより研磨加工を安定化して研磨品質を向上させることができる。

なお、研磨システム１と同様にキャリア定盤４０に基準部材を設けてキャリア定盤４０の基準角度位置を検出するとともに、当該基準角度位置において検出されるべき変位量δをメモリに設定記憶させておき、当該基準角度位置において周面位置検出センサ２６２に検出された変位量と比較して、変位波形の基線Ｂをキャリブレーションするように構成することが好ましい。これにより、各ローラの移動位置および回転速度をより高精度に制御することができる。

また、本構成形態では、周面位置検出センサ２６２をキャリア定盤の外周側に１か所設けた構成を例示したが、複数設けて構成してもよく、例えば各ローラ駆動ユニットに対応して配設するように構成してもよい。

また、以上の各構成形態では、キャリア定盤の回転速度ω[rad/sec]を検知する手段として、キャリア定盤４０の外周面４５に等角度ピッチで被検出体１６６を設け、回転検出センサ１６５により単位時間当たりに検出されたパルス数から算出する構成を例示した。しかしキャリア定盤４０の回転速度を検出する手段は他の構成であってもよく、例えば、キャリア定盤の外周面４５に周方向に等間隔（例えば１００mmピッチ）で被検出体１６６を設け、回転検出センサ１６５により単位時間当たりに検出されたパルス数から外周面４５の線速度すなわち周速ｖ[mm/sec]を算出して、これと外周面の半径距離ｒ[mm]とから回転速度ω[rad/sec]を算出し、あるいは周速ｖ[mm/sec]により各ローラの回転速度を直接制御するように構成してもよい。

さらに、ローラ駆動ユニット１００を４か所に設けた構成を例示したが、中空円環状のキャリア定盤を仮想中心Ｏの軸廻りに回転させる構成上３台以上であればよく、キャリア定盤４０の大きさや重量等に応じて適宜増減させることができる。

本発明を適用した研磨システムのローラ駆動ユニットを側面から見た概要構成図である。本発明を適用した研磨システムを側方から見た状態の概念図である。図２中のIII−III矢視方向に見た平面図である。第１構成形態の研磨システムの径方向位置検出部を主として示すブロック図である。第１構成形態の研磨システムのキャリア定盤を上方から見た模式図である。複数の回転検出センサの配設状態を示す説明図である。第２構成形態の研磨システムの径方向位置検出部を主として示すブロック図である。第２構成形態の研磨システムのキャリア定盤を上方から見た模式図である。周面位置検出センサにおいて検出される外周面の変位波形の模式図である。

符号の説明

Ｗ基板１,１´ 研磨システム
１０上定盤２０下定盤
３０キャリア３１基板収容部
４０キャリア定盤５０キャリア定盤駆動機構
８０制御装置８１メモリ
１００（１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ）ローラ駆動ユニット
１１０ローラ１１２ローラ軸
１１５ローラ駆動モータ１２０ローラアーム
１２５スライドガイド１２７バネ
１３０スライドブロック１５０ローラ移動構造
１５２スライドガイド１５４ボールネジ
１５５ローラ移動モータ１５６ボールナット
１６０,１６０´ 径方向位置検出部（径方向位置検出手段）
１６１角度位置検出装置１６２基準位置検出センサ
１６５回転検出センサ１６６被検出体
２６１周面変位検出装置２６２周面位置検出センサ

Claims

上下に対向して設けられた円盤状の上定盤及び下定盤、基板を保持する基板収容部を有し前記上定盤と前記下定盤との間に配設されるキャリア、前記上定盤及び前記下定盤よりも大径の円環状に形成されて内周に前記キャリアが接続されたキャリア定盤、及び前記キャリア定盤を回転させることにより前記上定盤と前記下定盤との間に挟持された前記キャリアを回転させるキャリア定盤駆動機構を備え、
前記キャリア定盤駆動機構は、外周面が前記キャリア定盤の周面に接し上下に延びるローラ軸廻りに回動自在に支持されたローラ、前記ローラを回転駆動するローラ駆動モータ、及び前記ローラを前記キャリア定盤の径方向に移動させるローラ移動構造を有し、前記ローラを前記ローラ駆動モータにより回転駆動して前記キャリア定盤を回転させる複数のローラ駆動ユニットからなり、
各前記ローラ駆動ユニットにおける前記ローラの配設領域を通る前記キャリア定盤の前記周面の径方向位置を検出する径方向位置検出手段と、
各前記ローラ駆動ユニットの前記ローラ移動構造による前記ローラの移動位置及び前記ローラ駆動モータによる前記ローラの回転速度を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置が、前記径方向位置検出手段により検出される前記周面の径方向位置に応じて、前記キャリア定盤の前記周面と各前記ローラ駆動ユニットの前記ローラとの接触状態が一定になるように、各前記ローラ駆動ユニットにおける前記ローラの移動位置及び回転速度を制御するように構成したことを特徴とする研磨システム。
前記径方向位置検出手段は、前記キャリア定盤の前記周面の形状が予め設定記憶されたメモリと、前記キャリア定盤の回転角度位置を検出する角度位置検出装置とからなり、
前記メモリに設定記憶された前記周面の形状と前記角度位置検出装置により検出された前記キャリア定盤の回転角度位置とに基づいて、各前記ローラ駆動ユニットにおける前記ローラの配設領域を通る前記周面の径方向位置を検出するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の研磨システム。
前記角度位置検出装置は、前記キャリア定盤の基準角度位置を検出する基準角度位置検出センサと、前記キャリア定盤の回転状態を検出する回転検出センサとからなることを特徴とする請求項２に記載の研磨システム。
前記径方向位置検出手段は、前記キャリア定盤の回転に伴って変位する前記周面の変位状態を検出する周面変位検出装置からなり、
前記周面変位検出装置により検出される前記周面の変位状態に基づいて、各前記ローラ駆動ユニットにおける前記ローラの配設領域を通る前記周面の径方向位置を検出するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の研磨システム。
前記周面変位検出装置は、前記キャリア定盤の回転に伴って変位する前記周面の径方向位置を検出する周面位置検出センサと、前記キャリア定盤の回転状態を検出する回転検出センサとからなることを特徴とする請求項４に記載の研磨システム。
各前記ローラ駆動ユニットは、前記ローラが設けられたローラアームと、前記ローラアームを前記キャリア定盤の径方向に移動自在に支持し前記ローラ移動構造により前記キャリア定盤の径方向に移動されるスライドブロックと、前記ローラアームと前記スライドブロックとの間に介装されて前記ローラを前記周面に付勢するバネとを備え、
前記ローラが前記周面に略一定の付勢力で押接されるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の研磨システム。
前記回転検出センサが、前記周面と対向して前記ローラアームに上下に並んで複数設けられることを特徴とする請求項６に記載の研磨システム。
前記回転検出センサが、前記周面と対向して前記ローラアームに上下に移動自在に設けられるとともに、前記回転検出センサを上下に移動させるセンサ移動構造を備え、前記制御装置が、前記キャリア定盤の回転に伴って変位する前記周面の上下方向の変位に応じて前記センサ移動構造により前記回転検出センサを上下移動させるように構成したことを特徴とする請求項６に記載の研磨システム。