JP5647923B2 - 両面研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨加工時にワークに加わる上定盤による押圧力を微調整することができる両面研磨装置に関するものである。

ワークの両面を研磨加工する両面研磨装置は、一般に、同心状に配設された円環状の上定盤及び下定盤と、該下定盤の中心に配設された太陽歯車と、該下定盤の外周を取り囲むように配設された内歯歯車と、前記下定盤上に配設されて前記太陽歯車と内歯歯車とに噛合するキャリアとを有していて、該キャリアに保持させたワークを前記上定盤と下定盤とで挟み、前記太陽歯車と内歯歯車とを回転させることにより前記キャリアを自転させると共に太陽歯車の回りを公転させながら、前記上定盤と下定盤とを相対的に回転させて前記ワークの両面を研磨するように構成されている。

研磨時に前記ワークには、上定盤により押圧力（加工荷重）が加えられる。その場合、上定盤の重量（荷重）は、付属する部材の重量を含めると非常に大きいため、ワークの加工条件に応じて上定盤の重量を調整する必要があり、特に、薄い水晶基板のように破損し易いワークを研磨する場合には、精密に微調整された小さな押圧力をワーク全体に均等に加えながら研磨する必要がある。このため、一般に、上定盤の荷重と逆向きの荷重（逆向き荷重）を発生させる減圧発生機構を設け、この減圧発生機構からの逆向き荷重を前記上定盤に作用させることにより、該上定盤の荷重と前記逆向き荷重との差を研磨時の押圧力とするようにしている。

特許文献１−特許文献４には、色々な構成の減圧発生機構を備えた研磨装置が開示されている。
特許文献１に記載された研磨装置の減圧発生機構は、錘で逆向き荷重を発生させて上定盤の重量に対向させるものであるが、構造によっては該上定盤の重量と同程度の重量の錘を設けなければならないため、研磨装置の総重量が非常に大きくなって装置も大がかりになり、逆向き荷重を調整するために錘を移動させたり増減させたりする機構が必要になるなど、構造も複雑である。

また、特許文献２及び特許文献３に記載された研磨装置の減圧発生機構は、エアバッグを使用し、該エアバッグ内の空気圧を調整することによって上定盤の押圧力を調整するものである。しかし、このようにエアバッグを使用するものにおいては、該エアバッグに対して圧縮空気を給排するためにエアポンプや電磁弁等が必要であり、該エアポンプや電磁弁の駆動時には常に電力を必要とするため、構造が複雑でエネルギーの消費量も大きいという問題がある。さらに、前記電磁弁のオン・オフによってエアバッグに対して圧縮空気が急激に供給されたり急激に排出されたりするため、該エアバッグの内部における圧力の増減が大きく、上定盤に不安定な逆向き荷重が加わることによって押圧力が不安定になり、これがワークの破損につながり易い。

さらに、特許文献４に記載された研磨装置の減圧発生機構は、上定盤と同心状に配置した上定盤昇降軸で該上定盤の重量を支持し、該上定盤昇降軸を２つの流体圧シリンダと２組の流体発生装置（ポンプ）及び流体制御弁とで昇降させることにより、前記上定盤の押圧力を調整するようにしている。しかし、この研磨装置においても、減圧発生機構の構造が複雑で電力等のエネルギーの消費量が大きいという問題があるばかりでなく、前記流体制御弁をオン・オフさせて流体圧シリンダ内に圧力流体を供給する際に圧力変動が生じ易いため、上定盤に不安定な逆向き荷重が作用し、これがワークの破損につながり易いという欠点がある。

特開２００７−８３３２８号公報 特開平１０−２６４０１２号公報 特開２０００−６００５号公報 特開２００１−３２２０６２号公報

本発明の技術的課題は、研磨加工時にワークに加わる上定盤による押圧力を、構成が簡単でエネルギー消費の少ない減圧機構によって精密かつ安定的に微調整できるようにすることにある。

前記課題を解決するため本発明は、ワークを挟んで研磨する駆動回転自在の上定盤及び下定盤と、前記上定盤を昇降させる上定盤昇降機構と、ワークの研磨時に前記上定盤の荷重と逆向きの荷重を該上定盤に作用させる減圧機構とを有し、前記上定盤の荷重と該減圧機構による荷重との差を研磨時の押圧力とする両面研磨装置において、前記減圧機構は、上定盤と軸線が一致する位置に上下動可能に配設された静圧力伝達軸と、前記上定盤と該静圧力伝達軸とを相互に連結する自動調芯軸受と、静止する液体の液位差により静圧力を発生させ、この静圧力を前記静圧力伝達軸に前記上定盤による荷重と逆向きの荷重として作用させる静圧力発生装置とを有することを特徴とするものである。

本発明において、前記静圧力発生装置は、前記静圧力伝達軸に連結された受圧部材と、該受圧部材に静圧力を作用させる容積可変の静圧力作用室と、静止する液体の液位差により前記静圧力を発生させる静圧力発生室と、前記静圧力を調整する静圧力調整装置とを有し、前記静圧力発生室と静圧力作用室とが連通路によって連通されると共に、該静圧力発生室と静圧力作用室と連通路とに前記液体が収容されている。

この場合に好ましくは、前記静圧力発生室内の液位は前記静圧力作用室内の液位より上位位置にあることであり、さらに好ましくは、前記受圧部材の受圧面の水平方向断面積は前記静圧力発生室の水平方向断面積より大きいことである。

本発明においては、前記静圧力調整装置がリフタからなり、該リフタで前記静圧力発生室又は静圧力作用室を昇降させて前記静圧力発生室内の液体の液位を変化させるように構成されていても、あるいは、前記静圧力調整装置が、前記静圧力発生室又は連通路に直接形成されるかあるいは該静圧力発生室又は連通路から分岐するように形成された容積可変部と、該容積可変部を押圧する押圧部材とを有し、該押圧部材で前記容積可変部を押圧して容積を変化させることにより前記静圧力発生室内の液体の液位を変化させるように構成されていても良い。

本発明によれば、前記減圧機構が、静止する液体の液位差により発生する静圧力によって逆向き荷重を発生させる方式であるため、圧縮空気をポンプや電磁弁等によりエアシリンダやエアバッグ等に供給して逆向き荷重を発生させる従来方式に比べ、電気エネルギーの消費を極めて少なくすることができるだけでなく、不規則な圧力変動を伴わない静圧力を上定盤に逆向き荷重として安定的に作用させることができ、その結果、安定した押圧力を得ることができる。しかも、前記液位差を変化させることによって前記逆向き荷重即ち押圧力を精密かつ安定的に微調整することができるので、ワークが半導体基板やガラス基板等である場合はもちろんのこと、数十μｍといった超極薄の水晶基板であっても、破損させることなく確実に研磨することができる。

本発明に係る両面研磨装置の第１実施形態を示す縦断面図で、上定盤が非研磨位置に上昇した状態を示すものである。 図１の伝達軸連結機構の部分を拡大して示す要部拡大図である。 図１の状態から上定盤が研磨のために下降し、ワークに接触する前の原点位置で停止している状態を示す断面図である。 図３の状態から上定盤が下降し、ワークに接触して研磨が行われている状態を示す断面図であって、押圧力が小さい場合を示すものである。 図４より上定盤の押圧力が大きい場合の断面図である。 本発明に係る両面研磨装置の第２実施形態を示す縦断面図で、上定盤が研磨位置に下降した状態を示すものである。 本発明に係る両面研磨装置の第３実施形態を示す縦断面図で、上定盤が研磨位置に下降した状態を示すものである。 本発明に係る両面研磨装置の第４実施形態を示す縦断面図で、上定盤が非研磨位置に上昇した状態を示すものである。 本発明に係る両面研磨装置の第５実施形態を示す縦断面図で、上定盤が研磨位置に下降した状態を示すものである。

図１−図５は両面研磨装置の第１実施形態を示すもので、この第１実施形態の両面研磨装置１Ａは、機体２と、該機体２の内部に鉛直な軸線（加工中心軸線）Ｌを中心に同心状に配設された円環状の上定盤３及び下定盤４と、該下定盤４の中心に配設された太陽歯車５と、該下定盤４の外周を取り囲むように配設された内歯歯車６と、前記下定盤４上に配設されて前記太陽歯車５と内歯歯車６とに噛合する複数のキャリア７とを有している。

前記機体２は、本体ケース２ａと、該本体ケース２ａから立ち上がった支柱２ｂと、該支柱２ｂの上端に支持された上枠２ｃと、前記本体ケース２ａの上部中央に配置された円筒形のシャフトハウジング２ｄと、前記本体ケース２ａの内部において該シャフトハウジング２ｄの下方に配置されたギアボックス２ｅとを備えている。

前記下定盤４は下定盤受１０に固定され、該下定盤受１０の中央下部には円筒状の下定盤軸１１が取り付けられ、該下定盤軸１１は、前記シャフトハウジング２ｄの内部に収容され、下定盤軸受１２で回転自在に支承されている。前記下定盤軸１１の下端部には、前記ギアボックス２ｅ内において下定盤ウオームギア１３が取り付けられ、該下定盤ウオームギア１３が、前記ギアボックス２ｅの外部に取り付けられた下定盤モータ１４で駆動回転されるようになっている。

また、前記太陽歯車５は、太陽歯車受１７に固定され、該太陽歯車受１７の中央下部には円筒状の太陽歯車軸１８が取り付けられ、該太陽歯車軸１８は、前記下定盤軸１１の内部に同心状に収容され、下端部が前記ギアボックス２ｅの下部において太陽歯車軸受１９で回転自在に支承されている。前記太陽歯車軸１８には、太陽歯車ウオームギア２０が取り付けられ、該太陽歯車ウオームギア２０が、前記ギアボックス２ｅの外部に取り付けられた太陽歯車モータ２１で駆動回転されるようになっている。

さらに、前記内歯歯車６は、内歯歯車受２４に固定され、該内歯歯車受２４の中央下部には円筒状の内歯歯車軸２５が取り付けられ、該内歯歯車軸２５は、前記シャフトハウジング２ｄの外周を取り囲むように配置され、下端部が内歯歯車軸受２６で回転自在に支承されている。前記内歯歯車軸２５には、内歯歯車ギア２７が取り付けられ、該内歯歯車ギア２７が、機体２に取り付けられた内歯歯車モータ２８で駆動回転されるようになっている。

一方、前記上定盤３は、図２からも分かるように、上定盤吊３１の下面に固定され、該上定盤吊３１の上面には複数のスタッド３２が上方に延出するように固定され、該スタッド３２を介して前記上定盤３が、機体２の上部に設置された上定盤昇降機構３３によって昇降自在かつ上定盤回転機構３４によって駆動回転自在なるように支持されている。

前記上定盤昇降機構３３は、機体２の上枠２ｃの上面に固定されたサーボ式の昇降シリンダ３５と、該昇降シリンダ３５のロッド３５ａの上端に固定された昇降プレート３６と、該昇降プレート３６から下向きに延びる円筒形の昇降ロッド３７とを有し、該昇降ロッド３７が、上枠２ｃの上面に固定されたロッド受３８の内部に上下動自在に支持されている。前記昇降シリンダ３５はサーボモータであっても良い。そして、前記昇降ロッド３７の内部に、上定盤回転軸３９が、前記加工中心軸線Ｌに沿う方向（上下方向）には該昇降ロッド３７と相互に固定関係にあるが、回転方向には該昇降ロッド３７と互いに自由な相互関係を有するように保持されている。

前記上定盤回転軸３９の下端には、円板形をしたドライブプレート４０が固定され、該ドライブプレート４０に形成された連結孔４０ａ内に、前記スタッド３２が、上端を該ドライブプレート４０から上方に突出させた状態で上下動自在に嵌合し、該スタッド３２を介して上定盤３が駆動、回転されるようになっている。
前記スタッド３２の上端には、フランジ状の係止部３２ａが設けられ、該係止部３２ａは、上定盤３の昇降時に前記ドライブプレート４０の上面に係止して上定盤回転軸３９と上定盤３とを相互に連結し、ワークＷの研磨時には、該ドライブプレート４０の上面から上方に離間して前記上定盤回転軸３９に上定盤３の重量が加わらないようにする。

前記上定盤回転軸３９の上端には上定盤ギア４１が固定され、該上定盤ギア４１は上定盤モータ４２に接続され、該上定盤モータ４２で前記上定盤３が駆動回転されるようになっている。従って、前記上定盤回転軸３９と上定盤ギア４１と上定盤モータ４２とは、前記上定盤回転機構３４を構成するものである。
また、前記上定盤モータ４２は前記昇降プレート３６に固定され、該昇降プレート３６及び前記上定盤回転軸３９と一緒に昇降する。従って、該上定盤回転軸３９は、前記上定盤昇降機構３３の一部を構成すると同時に前記上定盤回転機構３４の一部も構成するものである。

前記下定盤モータ１４、太陽歯車モータ２１、内歯歯車モータ２８、上定盤モータ４２は、予め設定されたプログラムに従って制御装置（不図示）により制御され、必要な回転方向に必要な回転速度で個別に駆動回転されるようになっている。

そして、ワークＷを研磨するときは、該ワークＷが前記キャリア７のワーク保持孔内に保持されたあと、図４のように、前記上定盤３が下降して該上定盤３の下面の作業面と前記下定盤４の上面の作業面との間に前記ワークＷが挟持され、その状態で前記上定盤３と下定盤４と太陽歯車５と内歯歯車６とが回転することにより、前記キャリア７が自転しながら太陽歯車５の回りを公転し、該キャリア７に保持されたワークＷの両面が前記上定盤３と下定盤４との作業面で研磨される。その研磨時に、前記上定盤３に形成された供給孔から研磨スラリーが前記作業面に供給される。

前記両面研磨装置１Ａには、前記ワークＷの研磨時に、前記上定盤３に該上定盤３の荷重と逆向きの荷重（以下、「逆向き荷重」と言う。）を作用させる減圧機構４４が設けられ、前記上定盤３の荷重と該減圧機構４４による逆向き荷重との差をワークＷへの押圧力とするように構成されている。

前記減圧機構４４は、上定盤３と軸線が一致する位置に上下動可能に配設された静圧力伝達軸４５と、ワークＷの研磨時に前記上定盤３と該静圧力伝達軸４５とを相対的に回転自在なるように連結する伝達軸連結機構４６と、静止する液体４７の液位差Ｈにより静圧力を発生させて、この静圧力を前記静圧力伝達軸４５に前記上定盤３による荷重と逆向きの荷重として作用させる静圧力発生装置４８とを有している。

前記静圧力伝達軸４５は、前記太陽歯車軸１８の内部に上下端が該太陽歯車軸１８から上方及び下方に延出するように収容されていて、図示しない軸受機構により支持されている。従って該静圧力伝達軸４５が配設されている位置は、前記上定盤３より下方である。
該静圧力伝達軸４５の上端の接触面４５ａは水平な平面に形成され、前記伝達軸連結機構４６を構成する自動調芯軸受４９に接触して前記上定盤３による荷重を支えるようになっている。

本実施形態においては、前記自動調芯軸受４９として玉軸受が使用されている。この玉軸受は、図２に示すように、下向きに開放する半球状の凹室４９ｂ内に球体４９ａを収容し、該球体４９ａと前記凹室４９ｂの室内面との間に多数の小球４９ｃを転動自在に介在させることにより、前記球体４９ａが全ての方向に３６０度回転自在であるように構成されたものである。該自動調芯軸受４９は、前記上定盤吊３１の中央の軸受取付部３１ａに取り付けられ、上定盤３の昇降によって前記球体４９ａが前記静圧力伝達軸４５の上端の接触面４５ａに接触したり離間したりすることにより、該上定盤３が前記静圧力伝達軸４５に対して相対的に回転自在なるように連結されたり切り離されたりするようになっている。

前記静圧力伝達軸４５の下端には、荷重センサ５２を介して前記静圧力発生装置４８が連結されている。該静圧力発生装置４８は、前記静圧力伝達軸４５の下端に前記荷重センサ５２を介して連結されたプレート状の受圧部材５３と、該受圧部材５３に前記静圧力を作用させる静圧力作用室５４と、静止する液体４７の液位差Ｈにより前記静圧力を発生させる静圧力発生室５５と、前記静圧力を調整する静圧力調整装置５６とを有している。

前記静圧力作用室５４は、合成ゴムや合成樹脂のような薄くかつ軽量で強度と耐久性と可撓性とを有する液不透過性の素材からなるバッグ５７の内部に形成され、該バッグ５７は支持台５８上に載置され、該バッグ５７の上面に前記受圧部材５３がその下面の受圧面で均等に圧力を受けるように当接している。

また、前記静圧力発生室５５は、機体２に上下方向好ましくは鉛直に支持されたパイプなどの中空状部材５９の内部に形成されていて、該静圧力発生室５５の上部は外気に開放され、下部は可撓性のあるチューブ６０内の連通路６１を通じて前記静圧力作用室５４の下部に連通され、これらの静圧力発生室５５と連通路６１と静圧力作用室５４との内部に油や水等の前記液体４７が充填されている。

前記静圧力発生室５５の水平方向断面形状は、円形や楕円形、矩形、三角形、その他の多角形など、任意の形状とすることができ、また、該静圧力発生室５５の水平方向断面積は、高さ方向に一定であっても良いが、例えば円錐状、角錐状、円錐台状、角錐台状、逆円錐状、逆角錐状、逆円錐台状、逆角錐台状などのように、高さ方向に規則的あるいは不規則に変化していても良い。一方、前記静圧力作用室５４の水平方向断面形状は、円形、円環形、多角形、多角環形など、任意の形状とすることができる。

前記静圧力作用室５４及び静圧力発生室５５は、静圧力作用室５４内の液位より静圧力発生室５５内の液位の方が上位になるような位置関係に配置することが必要である。そして、前記受圧部材５３の受圧面の水平方向断面積、すなわち前記受圧部材５３と前記静圧力作用室５４との接触面積を静圧力発生室５５の水平方向断面積より大きく設定することで、装置スペースを格別広くとることなく、確実に静圧力を発生させることが可能となる。

このように構成することにより、前記静圧力発生室５５内の液体４７と前記静圧力作用室５４内の液体４７との液位差Ｈにより静圧力が発生し、この静圧力が前記静圧力作用室５４内の液体４７を通じて前記受圧部材５３に作用し、該受圧部材５３を上方向に押し上げることにより、ワークＷの研磨時に静圧力伝達軸４５を介して上定盤３に逆向き荷重を作用させるものである。

前記静圧力調整装置５６は、前記支持台５８を昇降させるリフタ６４により構成され、このリフタ６４で前記静圧力作用室５４を昇降させて該静圧力作用室５４の容積を変化させることにより、前記静圧力発生室５５内の液体４７の液位を変化させるものである。
前記リフタ６４は、雄ねじからなる昇降軸６５を、ボディ６６内に設けた不図示の雌ねじ及びウオーム歯車を介してリフタ用モータ６７で回転させることにより昇降させるもので、前記昇降軸６５が前記支持台５８の下面に連結されている。そして、前記リフタ用モータ６７を制御装置で制御することにより、前記昇降軸６５の昇降制御が精密に行われるように構成されたものである。しかし、前記リフタ６４は、前記静圧力作用室５４を昇降可能な機構であれば、このような構成のものに限定されない。

次に、前記構成を有する両面研磨装置１ＡでワークＷを研磨するときの動作について説明する。この動作は、前記制御装置に予め入力されたプログラムに従って自動的に行われる。
図１はワークＷの非研磨時の状態を示している。このとき上定盤３は、昇降シリンダ３５のロッド３５ａの伸長により、昇降プレート３６及び昇降ロッド３７、上定盤回転軸３９、ドライブプレート４０、スタッド３２、上定盤吊３１を介して持ち上げられ、上昇端の位置を占めている。また、前記リフタ６４の昇降軸６５が上昇端の位置にあるため、前記静圧力伝達軸４５も上昇端の位置である原点位置を占めている。

このとき、前記静圧力作用室５４内の液体４７には、前記受圧部材５３を介して、該受圧部材５３、荷重センサ５２、静圧力伝達軸４５の重量が荷重として下向きに作用し、これに対して前記受圧部材５３には、前記静圧力作用室５４と静圧力発生室５５とにおける液体４７の液位差Ｈにより発生する静圧力が逆向き荷重として上向きに作用し、これら下向きの荷重と前記逆向き荷重とが互いに釣り合っている。

ここで、前記受圧部材５３の受圧面の水平方向断面積（受圧部材５３と静圧力作用室５４との接触面積）をＡ、該受圧部材５３により静圧力作用室５４内の液体４７に作用する荷重（図１の状態では静圧力伝達軸４５、荷重センサ５２、受圧部材５３の総重量）をＦ、液体４７の比重をＧとすると、Ｆ÷Ａ＝Ｈ×Ｇなる関係が成り立つ。

この状態から、前記下定盤４上に載置されたキャリア７にワークＷがセットされ、操作盤のスタートボタンが押されると、前記昇降シリンダ３５のロッド３５ａの短縮により、上定盤３は、前記昇降プレート３６及び昇降ロッド３７から上定盤回転軸３９、ドライブプレート４０、スタッド３２、上定盤吊３１に至るまでの部材（以下、「昇降関連部材」という。）と一体となって高速で下降し、自動調芯軸受４９の球体４９ａが静圧力伝達軸４５の上端の接触面４５ａに接触する直前の第１停止位置に一旦停止する。

次に、前記昇降シリンダ３５のロッド３５ａがゆっくり短縮することにより、前記上定盤３は前記昇降関連部材と一体となったまま前記第１停止位置から低速で下降し、図３に示すように、自動調芯軸受４９の球体４９ａが前記静圧力伝達軸４５の接触面４５ａに接触して該上定盤の荷重が前記静圧力伝達軸４５に作用するが、該上定盤３は未だワークＷに接触しない位置である第２停止位置で停止する。上定盤吊３１とスタッド３２もその位置で停止する。しかし、その後も前記昇降シリンダ３５のロッド３５ａは若干短縮を続けるため、前記ドライブプレート４０はスタッド３２に対して下方に変位し、該スタッド３２の上端の係止部３２ａが該ドライブプレート４０の上面から離間する。

この結果、前記上定盤吊３１とスタッド３２及び自動調芯軸受４９を含めた上定盤３の総重量（以下、「上定盤荷重」という。）は、前記ドライブプレート４０に作用していた状態から、全て前記静圧力伝達軸４５に下向きに作用するようになる。このため、該静圧力伝達軸４５の下端の受圧部材５３及びバッグ５７を介して静圧力作用室５４内の液体４７に作用する下向きの荷重は増大し、それと釣り合う逆向き荷重発生のために静圧力発生室５５内の液位が上昇し、液位差Ｈが増大する。

次に、図４に示すように、前記リフタ用モータ６７の駆動によりリフタ６４の昇降軸６５が下降し、前記バッグ５７の容積即ち静圧力作用室５４の容積が拡大し、該静圧力作用室５４内に前記静圧力発生室５５内の液体４７が流入することにより液位差Ｈが減少し、それに伴って前記受圧部材５３に上向きに作用する逆向き荷重が減少する。このとき、依然として前記静圧力伝達軸４５に上定盤荷重が作用しているので、減少した逆向き荷重に上定盤荷重が釣り合うために、前記バッグ５７の上面が下方に変位して静圧力伝達軸４５と上定盤３とが下降し、該上定盤３はワークＷの上面に接触（着盤）する。この着盤動作時に、前記昇降軸６５の下降速度を調整して前記静圧力作用室５４内への液体４７の流入速度を調整することにより、前記第２停止位置からの上定盤３の着盤速度を任意に設定することが可能である。

また、前記リフタ６４の昇降軸６５の下降速度が一定であっても、前記中空状部材５９の内部に形成された前記静圧力発生室５５の水平方向断面積が上下方向に変化している場合には、該昇降軸６５の昇降による液体４７の移動量（流入量・流出量）は変わらないが、液位毎の断面積が徐々に小さく／大きくなるにつれて静圧力の変化速度が速く／遅くなるため、これを利用して前記静圧力作用室５４内への液体４７の流入速度を調整することができ、これにより、静圧力の変化速度、即ち上定盤３に作用する逆向き荷重の作用速度（着盤速度・上昇速度）を段階的（曲線的）に制御することが可能である。

そして、前述した如く上定盤３がワークＷの上面に接触した状態で、前記太陽歯車５、内歯歯車６、上定盤３、下定盤４が回転することにより、前記キャリア７が自転しながら太陽歯車５の回りを公転し、該キャリア７に保持されたワークＷの両面が前記上定盤３と下定盤４との作業面で研磨される。このとき、前記上定盤３によりワークＷに作用する押圧力は、前記上定盤荷重と前記減圧機構４４により発生する逆向き荷重との差である。

前記押圧力は、前記リフタ６４の昇降軸６５の高さを制御することによって研磨中に任意に変更することができる。即ち、前記昇降軸６５を下降させると、前述したように、静圧力作用室５４の容積が拡大して該静圧力作用室５４内に静圧力発生室５５内の液体４７が流入するため、液位差Ｈが減少し、それに伴って受圧部材５３に上向きに作用する逆向き荷重も減少するから、前記押圧力は大きくなる。

それとは逆に前記昇降軸６５を上昇させると、静圧力作用室５４の容積が縮小して該静圧力作用室５４内の液体４７が静圧力発生室５５内に流出するため、液位差Ｈが増大し、それに伴って受圧部材５３に上向きに作用する逆向き荷重も増大するから、前記押圧力は小さくなる。前記昇降軸６５の上昇により押圧力を零にすることも可能である。
図５は、図４に比べ、前記昇降軸６５が下降して逆向き荷重が減少することにより、大きい押圧力がワークＷに作用している状態を示している。

前記押圧力は、前記荷重センサ５２により測定される上定盤３と静圧力伝達軸４５との荷重から求められ、該押圧力が設定した値となるように、前記荷重センサ５２からの測定信号に基づいて前記リフタ６４が研磨加工中に昇降制御される。例えば、ワークＷの厚さが目標厚さに近づくにつれて前記押圧力を小さくしていき、研磨終了時に零にすることもできる。

ここで、前記静圧力伝達軸４５は、自動調芯軸受４９を介して前記上定盤３に非回転状態に接続されることにより、該上定盤３の傾き等の影響を受けにくくなっており、前記荷重センサ５２は、この非回転の静圧力伝達軸４５の下部に設置されて前記上定盤３の傾き等の影響を全く受けることがないので、前記押圧力を正確かつ高精度に検出することができ、押圧力の制御精度が向上する。

また、前記減圧機構４４は、静止する液体４７の液位差Ｈにより発生する静圧力によって逆向き荷重を発生させる方式であるため、圧縮空気をポンプや電磁弁等によりエアシリンダやエアバッグ等に供給して逆向き荷重を発生させる従来方式に比べ、電気エネルギーの消費が極めて少ないだけでなく、不規則な圧力変動を伴わない静圧力を上定盤に逆向き荷重として安定的に作用させることができ、その結果、安定した押圧力を得ることができる。しかも、前記液位差Ｈを変化させることによって前記逆向き荷重即ち押圧力を精密かつ安定的に微調整することができるので、ワークＷが半導体基板やガラス基板等である場合はもちろんのこと、数十μｍといった超極薄の水晶基板であっても、破損させることなく確実に研磨することができる。

研磨が終了すると、前記上定盤３、下定盤４、太陽歯車５、内歯歯車６の回転が停止され、昇降シリンダ３５のロッド３５ａがゆっくり伸長することにより、昇降プレート３６及び昇降ロッド３７と上定盤回転軸３９とドライブプレート４０とが低速で上昇する。そして、該ドライブプレート４０がスタッド３２の係止部３２ａに係止して上定盤３が僅かに持ち上げられると、その位置から前記昇降シリンダ３５のロッド３５ａが高速で伸長すること
により、前記上定盤３は高速で上昇して図１の上昇端の位置まで持ち上げられる。それと同時に前記減圧機構４４も原点位置に復帰する。
そして、研磨されたワークＷがキャリア７から取り出され、別のワークＷがセットされて新たな研磨が行われる。

前記第１実施形態は、以下の各種変形例のように構成することもできる。即ち、図示した例では、前記上定盤昇降機構３３において、前記昇降シリンダ３５が昇降プレート３６を介して前記昇降ロッド３７に互いに並列する形に接続されているが、前記昇降シリンダ３５と昇降ロッド３７とを直列に接続しても良く、該昇降ロッド３７と前記上定盤回転軸３９とを一つの軸で兼用させても良い。

また、前記上定盤回転機構３４は、前記昇降プレート３６に取り付けた上定盤モータ４２により上定盤回転軸３９を介して上定盤３を駆動回転させるように構成されているが、通常の両面研磨装置で用いられている周知の回転機構であっても良い。即ち、下定盤４の中心部に前記静圧力伝達軸４５を取り囲むように円筒状のドライバを回転自在に配設し、該ドライバを、前記太陽歯車軸１８と同心状に延びるドライバ軸を介して機体の適宜位置に取り付けられた上定盤モータに連結し、該ドライバの外周の係止溝に前記上定盤３の内周から回転中心に向けて突出するフックを係合させ、該ドライバを介して前記上定盤３を回転させる回転機構であっても構わない。この場合、前記昇降プレート３６や昇降ロッド３７、上定盤回転軸３９、上定盤ギア４１、昇降プレート３６上の上定盤モータ４２等は省略され、前記昇降シリンダ３５が、ロッド３５ａを下向きにした姿勢で加工中心軸線Ｌ上に配置され、該ロッド３５ａの下端に前記上定盤３が傾動自在かつ回転自在に連結される。

さらに、前記伝達軸連結機構４６を構成する自動調芯軸受４９は、前記静圧力伝達軸４５に当接する球体４９ａを中心に備えた玉軸受で形成されているが、該自動調芯軸受４９はこのような構成のものに限定されず、内輪と外輪の間にボールを介在させた自動調芯玉軸受や、内輪と外輪の間にころを介在させた自動調芯ころ軸受であっても良く、あるいはジャイロ型の軸受であっても良い。このような玉軸受やころ軸受あるいはジャイロ型軸受を自動調芯軸受として使用する場合、前記外輪が上定盤３側に取り付けられ、前記内輪に静圧力伝達軸４５に対する接触面が形成される。この内輪側の接触面は、該内輪の下面に該内輪の中空部を塞ぐようにプレート等の部材を取り付けることにより形成することができる。また、該内輪の接触面に接触する前記静圧力伝達軸４５の接触面４５ａは、水平な平面又は球面に形成することができる。

また、前記静圧力発生装置４８における静圧力発生室５５は、上端が外気に開放されることなく密閉されていても良い。その場合には、該静圧力発生室５５を、前記静圧力作用室５４と同様に、合成ゴムや合成樹脂のような薄くかつ軽量で強度と耐久性と可撓性とを有する液不透過性の素材からなるバッグで形成し、その中に、気体が混在しないように液体４７のみを封入することが必要である。気体が混在すると、該気体の圧縮率は液体より大きいため、該気体の圧縮によって静圧力が吸収されるからである。

図６には、本発明に係る両面研磨装置の第２実施形態が示されている。この第２実施形態の両面研磨装置１Ｂが前記第１実施形態の両面研磨装置１Ａと異なる点は、静圧力調整装置５６が、リフタ６４で静圧力発生室５５を昇降させることによって該静圧力発生室５５内の液位を変化させるように構成されている点である。

即ち、前記リフタ６４は、ワイヤやチェーン等からなる牽引部材７０と、機体２に回転自在に支持されて該牽引部材７０が巻き掛けられたプーリやギア等の巻取部材７１とで構成されていて、前記牽引部材７０の先端は静圧力発生室５５を形成する中空状部材５９の上端に連結され、前記巻取部材７１が不図示の駆動手段で駆動回転されるようになっている。そして、該巻取部材７１を正逆に回転させて前記牽引部材７０を巻き取ったり繰り出したりして前記静圧力発生室５５を昇降させることにより、前記静圧力発生室５５内の液体４７の液位が上昇又は下降して静圧力作用室５４内の静圧力が上昇又は下降するようにしたものである。
静圧力作用室５４を形成するバッグ５７は、機体２に固定された支持台７２上に載置されている。

しかし、この第２実施形態における前記リフタ６４は、前記静圧力発生室５５を昇降させることができるものであれば、このような構成のものに限定されない。

この第２実施形態の前記以外の構成及び作用や変形例等は、実質的に前記第１実施形態の場合と同じであるから、主要な同一構成部分に該第１実施形態と同じ符号を付し、その説明は省略する。

図７には、本発明に係る両面研磨装置の第３実施形態が示されている。この第３実施形態の両面研磨装置１Ｃが前記第１実施形態の両面研磨装置１Ａと異なる点は、静圧力調整装置５６が、静圧力発生室５５と静圧力作用室５４とを結ぶ連通路６１の断面積を変化させることによって前記静圧力発生室５５内の液位を変化させるように構成されている点である。

このため該第３実施形態においては、連通路６１を形成するチューブ６０の一部に、押圧により弾性変形して容積が変化する容積可変部６２が形成され、該容積可変部６２の両側に一対の押圧部材７３ａ，７３ｂが配設され、一方の第１押圧部材７３ａは機体２に固定され、他方の第２押圧部材７３ｂは押圧装置７４に連結されている。そして、該押圧装置７４で前記第２押圧部材７３ｂを前進させて前記容積可変部６２を押圧し、それを変形させて断面積即ち容積を縮小させることにより、前記静圧力発生室５５内の液位が上昇して静圧力作用室５４内の静圧力が上昇するようになっている。
前記静圧力作用室５４を形成するバッグ５７は、機体２に固定された支持台７２上に載置されている。

なお、本第３実施形態では、前記容積可変部６２が連通路６１を形成するチューブ６０に直接形成されているが、該容積可変部６２は、チューブ６０以外の場所に、前記静圧力作用室５４以外のエリアを押圧するように形成することもできる。例えば、前記静圧力発生室５５を形成する中空状部材５９の液体４７が収容されている部分に該容積可変部６２を直接形成したり、該中空状部材５９又は前記チューブ６０から中空体（図９の「中空体７７」を参照）を前記静圧力発生室５５又は連通路６１に連通するように分岐させ、この中空体に前記容積可変部６２を形成することもできる。

この第３実施形態の前記以外の構成及び作用や変形例等は、実質的に前記第１実施形態の場合と同じであるから、主要な同一構成部分に該第１実施形態と同じ符号を付し、その説明は省略する。

図８には、本発明に係る両面研磨装置の第４実施形態が示されている。この第４実施形態の両面研磨装置１Ｄが前記第１実施形態の両面研磨装置１Ａと異なる点は、静圧力作用室５４がケーシング７６の内部に形成され、受圧部材５３がピストンで形成されている点である。

即ち、前記ケーシング７６の内部に、前記受圧部材即ちピストン５３が不図示のシール部材を介して上下方向に摺動自在なるように収容され、該ピストン５３の下面と前記ケーシング７６の内底面及び内側面との間に前記静圧力作用室５４が区画、形成されている。そして、該ケーシング７６の外底面の中央位置にリフタ６４の昇降軸６５が連結されている。

この第４実施形態の前記以外の構成及び作用や変形例等は、実質的に前記第１実施形態
の場合と同じであるから、主要な同一構成部分に該第１実施形態と同じ符号を付し、その
説明は省略する。

図９には、本発明に係る両面研磨装置の第５実施形態が示されている。この第５実施形態の両面研磨装置１Ｅが図７に示す第３実施形態の両面研磨装置１Ｃと相違する主要な相違点は、減圧機構４４を構成する静圧力発生装置４８の静圧力作用室５４及び受圧部材５３が機体２の上定盤３より上方の位置に設置され、また、上定盤回転軸３９が静圧力伝達軸４５を兼ねていて、該上定盤回転軸３９を介して上定盤３に前記静圧力発生装置４８からの静圧力が伝達されるようになっている点である。従って、前記静圧力伝達軸４５も上定盤３の上方に配置されていることになる。

以下、この第５実施形態の前記第３実施形態との相違点について簡単に説明する。前記機体２の上枠２ｃ上には、円環状をしたバッグ５７が載置され、該バッグ５７の内部に前記静圧力作用室５４が形成され、該バッグ５７の上に円環状をした前記受圧部材５３が載置され、該受圧部材５３の上に昇降シリンダ３５が取り付けられ、該昇降シリンダ３５のロッド３５ａが荷重センサ５２を介して昇降プレート３６に連結されている。

前記上定盤回転軸３９即ち静圧力伝達軸４５は、前記受圧部材５３及びバッグ５７の中心を遊挿状態に貫通すると共に、ドライブプレート４０の中心を該ドライブプレート４０に固定された状態で貫通し、下端が前記上定盤３に、自動調芯軸受４９を介して３６０度全ての方向に傾動自在であるように連結されている。また、前記ドライブプレート４０とスタッド３２とは、軸線が傾斜する方向には相互に自由度を持っているが、回転方向には相互に固定関係にあるように連結されている。

前記静圧力作用室５４は連通路６１によって静圧力発生室５５に連通され、該静圧力発生室５５の下端にパイプなどの中空体７７が分岐状態に接続され、該中空体７７の下端部に容積が変更可能な容積可変部６２が形成され、さらに、該容積可変部６２を両側から押圧する一対の押圧部材７３ａ，７３ｂと、一方の押圧部材７３ｂを押圧する押圧装置７４とが配設されている。

この第５実施形態においては、受圧部材５３上の前記昇降シリンダ３５により昇降プレート３６、昇降ロッド３７、静圧力伝達軸４５を介して前記上定盤３が昇降され、また、前記昇降プレート３６に取り付けられた上定盤モータ４２により、前記静圧力伝達軸４５を介して前記上定盤３が駆動回転される。
そして、ワークＷの研磨時に、前記上定盤３が、前記昇降シリンダ３５により静圧力伝達軸４５を介してワークＷに接触する直前の位置まで下降させられたあと、該昇降シリンダ３５のエア回路が開放されることにより静圧力の作用でワークＷに接触し、前記静圧力伝達軸４５を介して駆動回転されることにより該ワークＷの加工が行われる。研磨中の該上定盤３による押圧力の調整は、前記押圧装置７４を操作することにより第３実施形態の場合と同様にして行われる。

前記第５実施形態の前記以外の構成及び作用や変形例等は、実質的に前記第３実施形態の場合と同じであるから、主要な同一構成部分に該第３実施形態と同じ符号を付し、その説明は省略する。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 両面研磨装置
３ 上定盤
４ 下定盤
３３ 上定盤昇降機構
４４ 減圧機構
４５ 静圧力伝達軸
４７ 液体
４８ 静圧力発生装置
４９ 自動調芯軸受
５３ 受圧部材
５４ 静圧力作用室
５５ 静圧力発生室
５６ 静圧力調整装置
６１ 連通路
６２ 容積可変部
６４ リフタ
７３ａ，７３ｂ 押圧部材
Ｗ ワーク
Ｈ 液位差
Ｌ 軸線

Claims (6)

1. ワークを挟んで研磨する駆動回転自在の上定盤及び下定盤と、前記上定盤を昇降させる上定盤昇降機構と、ワークの研磨時に前記上定盤の荷重と逆向きの荷重を該上定盤に作用させる減圧機構とを有し、前記上定盤の荷重と該減圧機構による荷重との差を研磨時の押圧力とする両面研磨装置において、
   前記減圧機構は、上定盤と軸線が一致する位置に上下動可能に配設された静圧力伝達軸と、前記上定盤と該静圧力伝達軸とを相互に連結する自動調芯軸受と、静止する液体の液位差により静圧力を発生させ、この静圧力を前記静圧力伝達軸に前記上定盤による荷重と逆向きの荷重として作用させる静圧力発生装置とを有する、
   ことを特徴とする両面研磨装置。
2. 前記静圧力発生装置は、前記静圧力伝達軸に連結された受圧部材と、該受圧部材に静圧力を作用させる容積可変の静圧力作用室と、静止する液体の液位差により前記静圧力を発生させる静圧力発生室と、前記静圧力を調整する静圧力調整装置とを有し、前記静圧力発生室と静圧力作用室とが連通路によって連通されると共に、該静圧力発生室と静圧力作用室と連通路とに前記液体が収容されていることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
3. 前記静圧力発生室内の液位は前記静圧力作用室内の液位より上位位置にあることを特徴とする請求項２に記載の両面研磨装置。
4. 前記受圧部材の受圧面の水平方向断面積は前記静圧力発生室の水平方向断面積より大きいことを特徴とする請求項３に記載の両面研磨装置。
5. 前記静圧力調整装置はリフタからなり、該リフタで前記静圧力発生室又は静圧力作用室を昇降させて前記静圧力発生室内の液体の液位を変化させることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の両面研磨装置。
6. 前記静圧力調整装置は、前記静圧力発生室又は連通路に直接形成されるかあるいは該静圧力発生室又は連通路から分岐するように形成された容積可変部と、該容積可変部を押圧する押圧部材とを有し、該押圧部材で前記容積可変部を押圧して容積を変化させることにより前記静圧力発生室内の液体の液位を変化させることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の両面研磨装置。

Images