JP5472911B2

JP5472911B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP5472911B2
Application number: JP2010023771A
Authority: JP
Inventors: 英喜家中
Original assignee: Hamai Co Ltd
Current assignee: Hamai Co Ltd
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP2011161526A

Description

本発明は、水晶、ガラス、セラミック、金属、シリコンウエハその他種々の材料により形成されたワークの片面の表面を研磨する研磨装置に関する。

研磨装置は、半導体集積回路用基板に用いられる単結晶シリコンウエハ、ハードディスク用基板等のワーク（以下、単にワークという）に対して研磨加工を行う装置として用いられている。

このような研磨装置の従来技術として、例えば、特許文献１（特開２００１−２９３６５２号公報）に記載の研磨装置および研磨方法が知られている。
この研磨装置では、トッププレートの複数の細孔からマウントプレートへエアを噴射してトッププレートとマウントプレートとの間にエア充填による隙間を形成し、マウントプレートに均一な荷重を付与し、高精度な研磨加工を実現するというものであった。

また、エア噴射を利用する研磨装置の従来技術として、例えば、特許文献２（特許第３０１２２２４号公報）に記載のラッピング／ポリッシングマシンの下定盤回転装置が知られている。この研磨装置は、下定盤が取り付けられる回転体と、回転体の下側にてこの回転体を回転可能に支持する固定体と、を設け、さらに固定体の上面に複数の空気溜まり室、または、連続溝を設けて固定体と回転体との間に空気軸受けを構成し、高精度な研磨加工を実現するというものであった。

特開２００１−２９３６５２号公報特許第３０１２２２４号公報

特許文献１に記載の研磨装置では、特にトッププレートの複数の細孔からマウントプレートへ空気を噴射する構成を採用し、トッププレートからマウントプレートへ均等な荷重を供与して平坦性の高いワークを得ている。しかしながら、細孔から吹き出されたエアが四方へ自由に移動するため、場所によって圧力やエアの量が変動することになって隙間がやや不安定になる傾向があり、トッププレートとマウントプレートとの間に安定的に均一な隙間を形成することが困難であった。そしてトッププレートとマウントプレートとの間に均一な隙間が形成されないとトッププレートへ作用する押付け力が不均一となってワークの加工精度を悪化させる要因となる懸念がある。

また、特許文献１に記載の研磨装置では細孔からのエアの噴出が目詰り等で不良になった場合には、圧力が変化することからやはり隙間が不安定になって押付け力が不均一になる懸念がある。目詰まりが仮に発生したとしても押付け力を均一にしたいという要請があった。

また、特許文献１に記載の研磨装置では細孔の分布については触れられていないが、押付け力を均一に形成するためには、細孔の分布を最適に設定する必要がある。円板状のマウントプレートに対しては、中心軸が通る中心点において点対称となるような静圧を付与して円板全体に均一な押付け力を付与することが必要である。このような最適な細孔の分布の設定がないと、やはり隙間が不安定になって押付け力が不均一になる懸念がある。細孔の分布を考慮して押付け力を均一にしたいという要請があった。

細孔の分布の設定に関連し、特許文献２に記載のラッピング／ポリッシングマシンの下定盤回転装置では、空気溜まり室や連続溝を用いる空気軸受けにより浮上力を形成するものであり、参考となる技術である。しかしながら、円周上に複数の空気溜まり室を配置する構成を採用しているが、円周方向の任意の空気溜まり室からのエア流出が増加した場合、個々の空気溜まり室の容積が小さいために瞬間的にその空気溜まり室内の圧力が低下すると共に、やはり隙間が不安定になって押付け力が不均一になる懸念がある。

また、浮上力を形成する場合でも、中心軸が通る中心点において点対称となるような静圧を付与して円板全体に均一な浮上力を付与することが必要である。しかしながら特許文献２に記載のラッピング／ポリッシングマシンの下定盤回転装置では連通溝でも螺旋形状や角状螺旋形状などであって点対称でない溝を採用するというものであり、均一でない浮上力を加えることとなり、やはり隙間が不安定になって浮上力が不均一になる懸念がある。また、歯車型などは点対称であるものの半径方向を見るとき角度によって浮上箇所が相違するというものであり、やはり浮上力が不均一になる懸念がある。このような空気溜まり室、または、連続溝をトッププレートに設けて押しつけ力を形成しても、同様に押しつけ力が不均一になる懸念がある。

まとめると、以下の（１），（２），（３）のような課題がある。
（１）回転体状のトッププレートに対しては、トッププレートの中心軸が通る中心点において点対称となるような静圧を付与してトッププレート全体に均一な押付け力を付与したいという課題があった。

（２）実際の挙動では、マウントプレートとトッププレートとの間に形成される僅かな隙間部を通ってエアが流れることになり、この現象により両プレート間をほぼ非接触状態に保持することができる。しかしながら、隙間部においてこのエア流れの方向や流量が安定していなければ隙間部の両プレート間の距離が変動し、マウントプレートへ均一な押付け力を安定して付与することはできなかった。マウントプレートからトッププレートへのエア流れの方向や流量を安定させたいという課題があった。

（３）万が一、分散孔の目詰まりが起きても圧力変動を極力抑えてマウントプレートに対して広範囲で均一な圧力を維持しつつエアにより押圧したいという要請があった。
これらは特許文献１，２に記載の装置で考慮されていない問題点であった。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、マウントプレートに対して広範囲で均一な圧力でエアにより押圧してワークに対する押付け力も均一とし、研磨能力を向上させる研磨装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係る研磨装置は、
上面に研磨パットが設けられた定盤と、
下面にワークが保持された略回転体形状のマウントプレートと、
略回転体形状であって上下方向に移動自在になされ、回転体の中心軸に沿って形成される流体通路と、この流体通路と連通する円板状の空間部と、この空間部と連通して下面に到達する複数の分散孔と、が設けられており、マウントプレートの上側に配置されるトッププレートと、
前記マウントプレートの外周部に当接して前記マウントプレートが所定位置にて回転するように支持するマウントプレートガイドローラと、
前記トッププレートの外周部に当接して前記トッププレートが所定位置にて回転するように支持するトッププレートガイドローラと、
を備え、
前記マウントプレートと前記研磨パットとでワークを挟み、このワークの下面を前記研磨パットにより研磨する研磨装置であって、
前記トッププレートの下面に、その中心軸を基点に径の異なる複数の円環状溝と各円環状溝を結ぶ径方向の複数の連通溝を設け、
前記分散孔をこれら円環状溝と連通溝の任意の交点およびトッププレート中心に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、マウントプレートに対して広範囲で均一な圧力でエアにより押圧してワークに対する押付け力も均一とし、研磨能力を向上させる研磨装置を提供することができる。

本発明を実施するための形態の研磨装置の平面図である。本発明を実施するための形態の研磨装置のＡ−Ａ線断面図である。本発明を実施するための形態の研磨装置のトッププレート下面図である。溝部および隙間部の拡大図である。トッププレート下面のエアの流れを説明する説明図である。

続いて、本発明を実施するための形態について図を参照しつつ以下に説明する。まず、研磨装置１００について図１，図２，図３を参照しつつ説明する。研磨装置１００は、ワーク２００の片面を平面加工する装置である。研磨装置１００の機械駆動系の構成は、図１，図２で示すように、昇降軸体１、トッププレート２、マウントプレート３、定盤４、ガイドアーム５、トッププレートガイドローラ６、マウントプレートガイドローラ７、テーブル８を備える。

続いて各構成について説明する。
昇降軸体１は、図示しない昇降軸体駆動部に連結されており、図２の矢印ａ方向に昇降駆動される。この昇降軸体１の内部には流体通路１１が形成されており、フランジ状の下側先端部１２まで連通している。この流体通路１１には図示しないエア供給部からエアが供給され、下側先端部１２からエアが噴射される。

トッププレート２は、上側トッププレート２１ａの下側に下側トッププレート２１ｂを組み合わせて内部に円形空間である空間部２２を構成したものである。接続部２３において昇降軸体１の下側先端部１２と連結されており、トッププレート２も昇降軸体１とともに矢印ａ方向に昇降駆動される。接続部２３では上下方向にフランジ状の下側先端部１２が係止されて昇降するが弾性体のシール部２４を配置して自由度をもたせるようにしており、研磨加工中においてトッププレート２が傾動および水平方向にも微小距離移動できるようにして水平方向の加工精度に影響されないようにしている。

また、昇降軸体１とトッププレート２との接続部２３では、収納空間部２５が形成されており、さらにこの収納空間部２５と流体通路２６が連通する。昇降軸体１の下側先端１２から流入するエアは、収納空間部２５を介して流体通路２６へ流入する。流体通路２６は内部の空間部２２まで連通している。この空間部２２の下側には流路を介してエア吐出孔である分散孔２７まで連通している。トッププレート２の下面は、図３に示すような溝部２８が形成されている。なお、溝部２８についての詳細は後述する。

マウントプレート３は、回転体であり、下面にワークを保持する保持手段を備え、ワークを保持した状態で定盤１上に載置される。保持手段は各種構成があり、適宜採用することができる。なお、ワーク２００にはトッププレート２およびマウントプレート３の自重による押圧が作用する。マウントプレート３は高剛性であり、研磨荷重が加わっても弾性変形せず平坦性が維持されていることが望ましい。

定盤４は、回転体であり、上面にワーク２００を研磨する研磨パットを貼り付ける構成としている。研磨パットが貼られている定盤４の表面は平坦である。さらに、研磨パットは均等な厚さと均等な弾性を有し荷重によりウェーハが押し付けられた際、ウェーハと研磨パットの接触圧力、即ち研磨圧力が全面で均等になるように調整されている。ワーク２００の上面側がマウントプレート３に、ワーク２００の下面側が定盤４の研磨パットに狭まれて加工される研磨装置１００では、均等圧力とすることで、研磨中のワーク２００の割れ欠けするおそれを低減する。このような定盤４は、図示しない定盤回転駆動部により定盤４に回転力が付与され、定盤４が回転駆動される。

ガイドアーム５は、一端でテーブル８に固定されており、他端で２個のトッププレートガイドローラ６および２個のマウントプレートガイドローラ７を回転自在に支持する。

トッププレートガイドローラ６は、ガイドアーム５の上側の２箇所に設けられており、トッププレート２の側面と当接し、トッププレート２が中心軸を移動させることなく回転するように支持する。

マウントプレートガイドローラ７は、ガイドアーム５の下側の２箇所に設けられており、マウントプレート３の側面と当接し、マウントプレート３が中心軸を移動させることなく回転するように支持する。

テーブル８は、定盤１の周囲を覆うように設けられており、ガイドアーム５が固定されている。

続いて本発明の特徴をなすトッププレート２の下面の溝部２８について説明する。溝部２８は、図３，図４で示すように、トッププレート２の下面に設けられる。
トッププレート２の中心と同軸の複数の同心円の環状溝２８ａを設け、また半径方向に直線状の連通溝２８ｂを設け、同心円状の複数の環状溝２８ａと連通溝２８ｂとを繋げる蜘蛛の巣状構造としている。なお、最外周の環状溝２８ａの外側は環状の外周端部２９が形成される。

溝部２８の断面は図４で示すように、逆三角形状の溝となっている。なお、溝の断面形状は矩形でも半円形でもよい。この流路を流れるエアが全ての溝部２８に充填されるとトッププレート２を上方へ押し上げる力が発生する。この押し上げる力が任意のレベルを超えるとトッププレート２とマウントプレート３の間に僅かな隙間部９が形成され、エアが僅かづつ外周方向へ流れる状態となる。このような状態を形成することにより、トッププレート２とマウントプレート３とが非接触状態となり、ワーク加工時にマウントプレート３が回転しても摩擦力が発生しない。

さらに、プレート中心位置にエア吐出孔である分散孔２７（以下中央の分散孔２７）が設けられている。また、環状溝２８ａと連通溝２８ｂとが交差する任意の位置にも分散孔２７（以下外周側の分散孔２７）が設けられている。
前述のように、トッププレート２とマウントプレート３の間に僅かな隙間部９が形成され、エアが僅かづつ外周方向へ流れる状態となるので、外周側の隙間部９において圧力低下が生じる傾向となることから、外周側の分散孔２７を円周上に多数設けて圧力の低下を抑制するようにしている。さらに、プレート中心位置の分散孔２７により、プレート中心部での圧力を常に一定に保持するようにしているため、エアは図５で示すように外周側へ安定して流れるようになり、溝部２８から下側へ吹き付ける圧力を均一化し、隙間部９の距離を一定にすることができる。

また、本形態の外周側の分散孔２７は同一円上に等角度（図５では６０度毎）毎に配置されており、同じ半径位置で一定圧力となるようにするため、この点でも全域で隙間部９の距離を一定に支持するようになる。

また、環状溝２８ａによりトッププレート２の円周方向でほぼ同一圧力にて均一に加圧される。また、連通溝２８ｂにより、トッププレート２の放射線上でほぼ同一圧力にて均一に加圧される。また、環状溝２８ａと連通溝２８ｂとからなる蜘蛛の巣状の溝部２８は中心に対して点対称な溝となっており、エアは点対称な溝部により全面で同一圧力にて均一に加圧される。このように円板状のマウントプレート３に対しては、中心軸が通る中心点において点対称となるような静圧を付与してマウントプレート３に均一な押付け力を付与することができる。

続いてこのような研磨装置１００の全体構成について説明する。
本発明の研磨装置１００は、図１，図２で示すように、マウントプレート３の下面に保持手段によりワークが固定される。例えば、保持手段の一例であるワックス等によりマウントプレート３の下面に接着されている。定盤４に対し、マウントプレート３は独立して移動するようになされている。また、マウントプレート３に対し、トッププレート２は独立して移動できるようになされている。トッププレート２は昇降軸体１に対して所定の範囲内で傾動および水平移動できるようになされている。

トッププレート２の側面には２個のトッププレートガイドローラ６が当接している。マウントプレート３の側面には２個のマウントプレートガイドローラ７が当接している。トッププレート２とマウントプレート３は、切り離されている。このような構成により一の研磨部となる。この研磨部が定盤４上に１２０度ピッチで３個配置されている。研磨装置１００はこのように複数の研磨部によりワーク２００が研磨されるものである。

続いて研磨装置１００による研磨加工について説明する。
ワーク２００が保持されたマウントプレート３を定盤４上に配置し、さらにマウントプレート３の上にトッププレート２を配置して、図示しないエア供給部よりエアを昇降軸体１の流体通路１１を通じてトッププレート２内に設置した空間部２２に一旦充填させ、さらに各分散孔２７より環状溝２８ａおよび連通溝２８ｂへエアが供給される。全ての溝部２８にエアが充填されるとトッププレート２を上方へ押し上げる力が発生する。この押し上げる力が任意のレベルを超えるとトッププレート２とマウントプレート３の間に僅かな隙間部９が形成され、エアが僅かづつ外周方向へ流れる状態となる。このような状態を形成することにより、トッププレート２とマウントプレート３とが非接触状態となり、マウントプレート３上面に均一な押圧を付与する。エアはトッププレート２の溝部２８内を流れ、この溝部２８から吹き出るエアによりマウントプレート３の全面で所定の荷重となるように均等に押圧した状態となっている。なお、ワーク２００に掛る押圧は、トッププレート２の浮上力とマウントプレートへの押付け力が相殺されることになり、トッププレート２およびマウントプレート３の自重による押圧が作用する。

続いて研磨装置１００がワーク２００の研磨を開始する。図示しないノズルからの研磨剤の供給を受け、定盤４上に研磨液を分散させながら、所定の速度で定盤４の回転を開始する。定盤４上のマウントプレート３は、回転する定盤４からワーク２００を介して抗力が加えられる。定盤４の内周側では定盤４の周速が相対的に小さく、外周側では定盤４の周速が相対的に大きいため、マウントプレート３は定盤の回転方向と同方向へ自転する。この時、トッププレート２はマウントプレート３と非接触状態となっているため、トッププレート２は回転せず、マウントプレート３の自転動作を何ら拘束することがない。

しかしながら、マウントプレート３が回転しても、回転移動するマウントプレートガイドローラ７により位置が拘束されており、回転軸を移動させることなく所定位置にて自転する。

もしトッププレート２およびマウントプレート３の軸心が一致せず、わずかな芯違があっても、トッププレート２は静止している為、マウントプレート３の自転を妨げる事がなく、トッププレート２は、マウントプレート３に均等な荷重を供与することが出来、高精度研磨加工が可能となる。

また、外的要因等により、トッププレート２とマウントプレート３とのいずれかのプレートに姿勢変動が発生し、局所的（局部的）にエア流量の増大が発生するような場合、局所的に作用するエア圧力が大きく低下するようなことが起こるとこの部分での静圧が低下してプレート同士が接触状態となる懸念がある。しかしながら、トッププレート２内における円板状で大きな空間部（エア溜まり部）２２の存在により空間部２２内が一定圧力に保たれており、任意の位置で溝部２８からのエア流出が増加しても、圧力低下の少ないエアを空間部２２から分散孔２７へ供給することができるため、圧力変動の少ない状態を保つことができる。円周方向の任意の位置でエア流出が増加しても局部的な圧力低下は抑えられ、押付け力が不安定になり難い構造となっている。

したがって、ワーク２００と定盤４の研磨パットとの接触面では均一かつ安定した圧力が付与された状態でワーク２００の自転および定盤４の研磨パットの公転により摺擦研磨されてワーク２００の表面は鏡面に加工される。

この際、マウントプレート３はトッププレート２の溝部２８からのエアにより全面で均一に押圧されており、マウントプレート３は所定の研磨荷重で定盤４の研磨パットに均一な力でワーク２００を押し付けており、研磨能力を高めている。また、荷重が集中しないようにしているため、割れ・欠けの発生を予防している。

研磨加工終了時には、定盤４の回転を停止しトッププレート２に設置された分散孔２７よりエアを供給しつつ図示していない昇降軸体駆動部により昇降軸体１を上昇させトッププレート２を引き上げる。トッププレート２は上昇するが，マウントプレート３およびワーク２００は定盤４上に残される。以下、マウントプレート３からワーク２００を回収して加工は終了する。研磨装置１００による加工はこのようなものである。

以上本発明の研磨装置１００について説明した。
このような本発明の研磨装置１００は、特に溝部２８の改良により以下の（１）〜（３）に示すような効果が見込める。

（１）回転体形状のマウントプレート３に対しては、中心軸が通る中心点において点対称となるような静圧を付与して全体に均一な押付け力を付与することが必要である。本発明では、トッププレート２の下面に同心円状の円周溝２８ａを半径方向に複数形成して、それぞれ円周溝２８ａを半径方向の連通溝２８ｂで繋げる構造としている。なお、最外周の円周溝２８ａとトッププレート外周端との間には溝を設けないで外周端部２９との隙間部を通過させるようにして圧力を高く維持する。さらに、トッププレート２の中心位置および円周溝２８ａと連通溝２８ｂとが交差する任意の位置に分散孔２７を配置して溝部２８へ加圧エアを供給している。このためエアはトッププレート２の中心軸に対して点対称な溝部２８から加圧されることとなり、円板状のマウントプレート３の全体を均一に加圧することができる。

（２）また、実際の挙動では、トッププレート２とマウントプレート３との間の僅かな隙間部９を通ってエアが流れることになり、この現象により各プレート間をほぼ非接触状態に保持するが、このエア流れの方向や流量が安定していなければマウントプレート３への均一な押付け力を付与することはできない。本発明では、トッププレート２上の分散孔２７から供給した加圧エアは、図５で示すように、常に圧力レベルの高い内周側から圧力レベルの低い外周側へ放射線状に広がりつつ流出するようになり、安定したエア流れの方向を形成することができる。

（３）また、一部の分散孔２７に目詰まりが発生したような場合でも、溝部２８を流れるエアにより目詰まりした分散孔２７付近でも依然押し圧力を付与するため、急激な圧力変動が抑えられ、この点でも圧力の均一化を図っている。

本発明ではこれら効果が相乗的に相俟って、マウントプレート３の全面に常に均等な荷重を与えることができるようになり、従来では想起しえないような高精度研磨加工が可能となる。

以上のような本発明に係る研磨装置は、ワークに対して、ラッピング、ポリッシング等の精度の高い平面加工を行う装置に適している。

１００：研磨装置
１：昇降軸体
１１：流体通路
１２：下側先端部
２：トッププレート
２１ａ：上側トッププレート
２１ｂ：下側トッププレート
２２：空間部
２３：接続部
２４：シール部
２５：収納空間部
２６：流体通路
２７：分散孔
２８：溝部
２８ａ：円周溝
２８ｂ：連通溝
２９：外周端部
３：マウントプレート
４：定盤
５：ガイドアーム
６：トッププレートガイドローラ
７：マウントプレートガイドローラ
８：テーブル
９：隙間部
２００：ワーク

Claims

上面に研磨パットが設けられた定盤と、
下面にワークが保持された略回転体形状のマウントプレートと、
略回転体形状であって上下方向に移動自在になされ、回転体の中心軸に沿って形成される流体通路と、この流体通路と連通する円板状の空間部と、この空間部と連通して下面に到達する複数の分散孔と、が設けられており、マウントプレートの上側に配置されるトッププレートと、
前記マウントプレートの外周部に当接して前記マウントプレートが所定位置にて回転するように支持するマウントプレートガイドローラと、
前記トッププレートの外周部に当接して前記トッププレートが所定位置にて回転するように支持するトッププレートガイドローラと、
を備え、
前記マウントプレートと前記研磨パットとでワークを挟み、このワークの下面を前記研磨パットにより研磨する研磨装置であって、
前記トッププレートの下面に、その中心軸を基点に径の異なる複数の円環状溝と各円環状溝を結ぶ径方向の複数の連通溝を設け、
前記分散孔をこれら円環状溝と連通溝の任意の交点およびトッププレート中心に設けたことを特徴とする研磨装置。