JPH089140B2 - 両面同時研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （１）発明の利用の分野 本発明は集積回路用半導体基板、磁気デイスク基板、
ガラス基板等の平行平板の両面同時研磨（研削、ラツピ
ング、ポリシング等）装置に関するものである。

（２）発明の背景 近年、エレクトロニクスの分野では、集積回路用シリ
コン半導体基本、磁気記録用ハードデイスク基板、集積
回路マスク用石英ガラス基板、表示パネル用ガラス基板
等高い寸法精度と仕上げ品質を必要とし、さらに加えて
低廉な加工コストを要求される材料が増加している。こ
れらの要求に応えるのに、従来は、加工物をジグ上に接
着等で保持して片面ずつ研磨する方法および接着の手間
の省ける両面同時研磨（以下、研削、ラツピング、ポリ
シングを含めて研磨という）が行なわれている。

第１図は、従来の両面同時研磨機であり、（１）は下
定盤、（２）は上定盤、（３）はキヤリア、（４）は加
工物、（５）は太陽歯車、（６）は内歯歯車である。こ
の種の両面研磨機では、下定盤（１）と上定盤（２）を
互に逆向きの回転とし、加工物の入つたキヤリア（３）
の公転速度を、下定盤（１）と上定盤（２）の回転速度
の中間、すなわち、キヤリア（３）の自転中心から見て
下定盤（１）と上定盤（２）の摺動点が向きが逆で相対
速度が等しく見えるように設定することを基本としてい
る。さらに加えてキヤリア（３）の自転も適宜設定す
る。これらの相対運動は、下定盤（１）、上定盤
（２）、太陽歯車（５）、内歯歯車（６）それぞれの駆
動源の回転数の設定によって与えられる。原則的に、上
記の条件に設定する理由は、加工物（４）の上下面を
ほぼ同一の研磨能率で研磨する、一般には薄板状のキ
ヤリア（３）の外周部の歯車の各歯に作用する研磨抵抗
による反力を最小化する、必要性である。

この種の両面研磨機の利点は、初期厚さの異る複数
の加工物（４）を同時研磨して能率よく均一板厚さに収
斂させることができる。加工物（４）各々の平行度を
極めて高く容易に仕上げることができることである。そ
の原理は、研磨能率は用いる定盤材質とスラリーが同じ
であれば、加工物を研磨定盤におさえつける研磨圧力に
比例し、かつ、相対摺動速度に比例するということであ
る。加工物（４）相互間の厚さのばらつき及び加工物
（４）１ケ内の厚さむら（平行度の外れ）があると、加
工物（４）が定盤（１）、（２）の間に挾まれる際厚さ
の厚いところに研磨圧力が選択的に作用し、全体厚さを
均一化させる作用を生じるのである。キヤリア（３）の
自転のあることが、加工物（４）全体として楔状に仕上
ることを防いでいる。

この種の両面研磨機は、上述したように、高い平行平
面の加工精度が容易に得られ、多数の加工物を一度に研
磨できるすぐれた方法であるが、歯車付のキヤリア
（３）を用いていることについて、次の難点がある。す
なわち、 極く薄の加工物または、研磨抵抗の大きいものを研
磨しようとする場合、キヤリアの歯車の強度が必要なト
ルク伝達に耐えられない。

キヤリア歯車と太陽歯車、内歯歯車が砥粒を介して
噛合つているためかなりの摩耗がある。

歯車部に付着したスラリーは容易に清掃できないの
で、極めて高品位の鏡面をポリシングしようとする場合
に歯車部分に残留する凝固スラリーの悪影響（スクラツ
チ）を受け易い。

ということである。さらにいえば、自動化（加工物の脱
着）を行なおうとする場合、生産性の良い大型定盤のタ
イプのものほど難しい。定盤が大型になり、加工物の脱
着操作のストロークが大きくなり経路が複雑になるため
である。

（３）発明の目的 本発明は、歯車付きのキヤリアを用いることなく、し
たがつて、研磨抵抗の制約の少ない、研磨定盤近傍の清
掃容易な両面研磨機の提供を目的とする。

（４）発明の概要 本発明は、平行状態に設置した第１の研磨定盤と第２
研磨定盤の回転軸心の位置を異ならすとともに両者の間
に挟持される平板状加工物の回転軸心の位置を、上記二
つの研磨定盤の軸心を結ぶ直線上の中点に位置させると
ともに第１、第２の研磨定盤及び加工物をともに同じ向
きに回転させる機構を具えたことを特徴とするものであ
る。

以下図面によつて詳細に説明する。

（５）発明の実施例 第２図は、本発明の第一の実施例を示す主要部の図で
ある。

（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。

（１）は下定盤、（２）は上定盤、（４）は加工物、
（101）は定盤（１）の回転軸心、（201）は定盤（２）
の回転軸心、（401）は加工物（４）の回転軸心であ
る。ａ、ａ′、ａ″は定盤（１）、（２）、加工物
（４）の回転の向きを表わす矢印である。第２図に図示
していないが、定盤（１）は、半径方向、スラスト方向
を軸承され、かつ回転駆動源に直結されて所要の回転数
に駆動される。定盤（２）は、少なくとも回転軸心（20
1）を維持するように半径方向を軸承され、自重もしく
は、適宜の手段によつて、加工物（４）を定盤（１）に
対して所定の圧力で押圧している。定盤（２）は、ま
た、回転軸（201）の回わりに自転自由であつてもよ
く、また、定盤（１）と向きの同じで大きさも等しい回
転を駆動源から与えられていてもよい。図示していない
が、定盤（１）と加工物（４）の間及び、定盤（２）と
加工物（４）の間にスラリーを供給する機構を有するこ
とは勿論である。

また、加工物（４）は適宜の方法（後述するように必
ずしもキヤリアを必要としない）で自転中心（401）
を、２つの回転中心（101）と（201）を結ぶ直線の中間
に位置させる。

この構成における動作を説明する。

定盤（１）を回転すると、その摩擦トルクにより加工
物（４）が回転する。全面に均等の加圧圧力が作用し摩
擦力も一様ならば、摩擦力により駆動され加工物（４）
は定盤（１）と等回転速度で同方向に回転する。加工物
（４）の回転によつて定盤（２）も同方向に等回転速度
で駆動される。そして、定盤（１）と加工物（４）は全
面において大きさ及び向きの等しい相対速度（その大き
さは定盤（１）の回転軸心（101）と加工物の回転軸心
（401）の間の距離に定盤の回転角速度を乗じたもので
あり、その向きは回転軸心（101）と回転軸心（401）を
結ぶ直線に垂直となる）を持つ。加工物（４）と定盤
（２）との相対速度は前記相対速度と大きさが同じで向
きが逆である。したがつて、加工物（４）は、両面にお
いて全面均一の等しい研磨能率で研磨される。

定盤（２）を定盤（１）と等速で同方向に強制回転し
ておいてもこの関係は変らない。この実施例（１）の場
合には、加工物（４）の平行度を積極的に修正する機
構、機能を有していないので、加工物の平行度そのまま
で研磨が進行する。したがつて、たとえば集積回路用シ
リコン基板のラツプ品のように予め平行度、平面度が前
加工で形成されている（したがつて、研磨面の摩擦抵抗
が全面一様である）品物を鏡面化する研磨抵抗の大きい
両面同時ポリシングに適用すると効果的である。

第３図は第２の実施例を示す主要部の図である。図に
おいて加工物（４）を保持するキヤリア（３）は、薄板
状部材（31）とこれを張り上げ保持する円筒状部材（3
2）とからなる。加工物（４）が厚肉のものである場合
には、キヤリア（３）は単に加工物（４）の保持穴を有
する円板状部材（31）のみで構成することも可能であ
る。（301）は、研磨機の枠部（図示せず）に自転自由
に固定されたキヤリア用のガイドローラであり、キヤリ
ア（３）をその回転軸心を維持して自転許容する。実施
例１では、加工物（４）と定盤との研磨抵抗が、全面均
一でなかつたり、上下面で差異がある場合には加工物は
その回転軸心から外れ、極端な場合には研磨定盤から外
れてしまう。第２の実施例では、このような場合におい
ても加工物をその回転軸心の周りに回転できるように維
持し、加工物上下面全面均一の研磨能率の条件を充足さ
せる。第２の実施例は、全面均一の定盤との接触条件が
得られない加工物の場合（研磨仕上げを要する部分が加
工物自転軸に対して非対称であるようなもの）に適用す
ると効果的である。

第３の実施例は、第２図及び第３図において、定盤
（１）の回転軸心（101）に対して定盤（２）の回転軸
心（201）の距離を研磨中においても任意に設定できる
機構と、これと連動して加工物の回転軸心（401）を回
転軸心（101）と102））の中間に設定できる機構とを具
えた両面同時研磨機である。第１の実施例で述べたとお
り、研磨能率は定盤の回転速度と定盤と加工物の回転軸
心間の距離の積に比例する。したがつて、回転数一定の
条件下でも軸心間距離を変えることによつて研磨能率を
制御することができる。定盤（１）、（２）、加工物
（４）の３者の回転軸心（101）、（201）、（401）を
合致させれば研磨が停止する（回転していても）。この
機能により、回転の立上りは急であり、停止は逆に急停
止できなくとも、研磨自体は円滑な起動終停が可能であ
る。

第４の実施例は、第１の実施例、第２の実施例、第３
の実施例の装置において、下研磨定盤（１）、上研磨定
盤（２）、加工物（４）またはそのキヤリア（３）の全
てに等回転速度に強制駆動する機構を具えた両面研磨装
置である。このようになつているため、自転軸（401）
に関して非対称な研磨部分を有する加工物においても、
安定した一定回転数のもとに研磨が実施できた。また、
加工物（４）や定盤（２）の回転軸心維持のための軸受
の回転抵抗がある場合に、これを打消して安定な一定回
転を与えることができる。

第４図は第５の実施例の主要部を示す図である。図中
（701）〜（704）は上定盤（２）の裏面（研磨面と反対
側）の加工圧作用点であつて、それぞれに押圧力を制御
できる機構（図示せず）が対向して静止枠に固定されて
いる。すなわち、定盤（２）の回転を妨げることなく押
圧できるようになつており、例えば空気の静圧軸受、ロ
ーラ等を用いる。この実施例において、（701）の点を
相対的に強く押圧すると加工物の左側部分の研磨加工圧
力が相対的に高くなり、この部分において上定盤（２）
が加工物（４）を上面図で、上方に辷らせようとする研
磨抵抗が、下定盤（１）が加工物（４）を上面図で下方
に辷らせようとする作用を上まわるため加工物（４）は
全体として上面図上方に移動しようとする。（703）の
点を相対的に強く押圧すると逆に加工物（４）を上面図
下方に移動させようとする。同様に（702）の点を相対
的に強く押せば上面図上で加工物を左方へ、（703）の
点を強く押せば上面図上で加工物を右方へ移動させよう
とする。この作用を利用して、加工物（４）をキヤリア
なしで、２枚の定盤の重なり部分の中心に維持すること
ができる。このようにするためには、加工物の刻々の位
置を計測して（701）〜（704）の押圧力を制御すれば良
い。

また、この実施例では、この機構を用いることによ
り、加工物（４）の平行度の修正を行なうこともでき
る。すなわち、加工物の最肉厚のところを刻々計測して
この部分に最大の研磨加工圧力が作用するように（70
1）〜（704）の押圧力を制御すればよい。

なお、加工物板厚の平行度修正には、上定盤（２）上
に定盤と一体となつて回転する偏心荷重分銅を搭載して
おく方法も可能である。加工物と定盤は等回転速度で回
転しているため、加工物と定盤の相対回転はなく、回転
にともなつて相対すべりを生じているだけであるから、
偏心分銅の最大、最小を結ぶ直線と平行度の最急勾配の
方向は、初期に合致させておけば等回転速度研磨中はず
れないからである。

第５図は第６の実施例を示す部分図である。この実施
例では、キヤリア（３）を揺動させることによつて、加
工物（４）に揺動を与える。キヤリア（３）の自転位置
を保持するガイドローラ（301）、（302）、（303）の
うち、（301）は中心を軸承されておりかつキヤリア
（３）を中心に向けて弾性的に押圧している。ガイドロ
ーラ（302）と（303）は、偏心位置を軸承されている。
キヤリア（３）が回転するとキヤリアの円筒状部材（3
2）がガイドローラと密接して転がり接触しているの
で、ガイドローラ（302）、（303）の偏心に応じた揺動
を生じる。その結果、加工物（４）と下定盤（１）及び
上定盤（２）の接触は少しずつ変化し、定盤と加工物の
接触の位相を変えることができる。単に、加工物（４）
と定盤（１）、（２）の等回転速度での接触では、一回
転ごとに同一の位相で接触していることになり、定盤の
１回転平均でみた面状態（たとえばスラリー用格子溝の
半径方向の密度分布）が加工物（４）に転写される場合
がある。本実施例は、これを防ぐ手段を与える。

（６）発明の効果 以上各実施例に詳細に述べたように、２枚の研磨定盤
を回転軸心を異ならせて配置し、加工物軸心位置を両回
転軸心を結ぶ直線上の中点に挟持し、これら３者を同方
向に等回転速度で回転させる（加工物は両側又は片側定
盤からの摩擦力のみでの駆動も可能である）ことによ
り、加工物の表裏両面を均等にしかも全面均一に研磨で
きる。そして加工物には、本質的に自転位置を移動させ
ようとする外力が作用しないのでキヤリアなしで研磨す
ることができる。加工物と定盤の接触の過渡的不安定に
対応するためにキヤリアを用いる場合にもキヤリアに加
工物から作用する力は小さいので、極く薄いキヤリアを
利用できる。また、キヤリアの形状は単純であるため清
掃を容易に行なうことができる。

したがって、極く薄物の両面同時研磨をキヤリアなし
で行なう場合や研磨領域での清浄性を必要とする高品位
鏡面研磨に適用できる利点がある。

たとえば、半導体集積回路用シリコン基板の両面同時
ポリシングに利用すれば、キヤリアからの凝固スラリー
の巻き込みがないので、１次ポリシングに利用できるこ
とはもとより、２次ポリシング、フアイナルポリシング
に適用して高品位面を再現性（歩留り）良く得られる利
点がある。この場合、従来の両面研磨機のように加工物
を少くとも３枚同時研磨するという必要はなく、一枚ず
つの研磨でよいため、板厚さを揃えるバツチ構成が不要
で、研磨機への装填、取出しも容易（場所が常に１ケ所
に固定されている）であるため、自動化に適した研磨方
法である。

同様に、磁気デイスク基板、レチクル用ガラス基板、
表示パネル用ガラス基板等高精度、高品位でありなが
ら、量産、低コストを求められる部品の研磨に適用すれ
ば効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の両面同時研磨機の主要部の図、（ａ）は
上面図、（ｂ）は断面図、第２図は本発明の第１の実施
例、第３の実施例及び第４の実施例を示す主要部の図、
（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、第３図は本発明の第
２の実施例、第３の実施例及び第４の実施例を示す主要
部の図、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、第４図は第
５の実施例の主要部を示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）
は断面図、第５図は第６の実施例を示す部分図である。 （１）……下定盤、（２）……上定盤、（３）……キヤ
リア、（４）……加工物、（５）……太陽歯車、（６）
……内歯歯車、（301）……キヤリアのガイドローラ、
（701）、（702）、（703）、（704）……定盤加圧場
所。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２枚の平面研磨定盤の間に平板状加工物を
   挾んで研磨する両面同時研磨装置において、第１の研磨
   定盤の回転軸と第２の研磨定盤の回転軸は、平行であっ
   て異なる位置にあり、第１の研磨定盤と第２の研磨定盤
   の間に挾持される平板状加工物の回転軸心の位置を、第
   １の研磨定盤の回転軸心位置と第２の研磨定盤の回転軸
   心位置の間の中点に配置し、第１の研磨定盤、第２の研
   磨定盤および平板状加工物の３者をともに同じ向きに回
   転させる機構を具えたことを特徴とする両面同時研磨装
   置。
2. 【請求項２】（１）項記載の両面同時研磨装置におい
   て、平板状加工物を保持するキャリアを備えたことを特
   徴とする両面同時研磨装置。
3. 【請求項３】（１）項記載の両面同時研磨装置におい
   て、第１の研磨定盤の回転軸心と第２の研磨定盤の回転
   軸心との間の距離を任意に設定する機構を具えたことを
   特徴とする両面同時研磨装置。
4. 【請求項４】（１）項記載の両面同時研磨装置において
   第１の研磨定盤と第２の研磨定盤と加工物またはキャリ
   アのそれぞれを等回転速度に強制駆動する機構を具えた
   ことを特徴とする両面同時研磨装置。
5. 【請求項５】（１）項記載の両面同時研磨装置におい
   て、第１の研磨定盤と第２の研磨定盤と加工物またはキ
   ャリアの３者中任意の１者もしくは２者に強制回転駆動
   の機構を具え、残る２者もしくは１者は所定の回転軸の
   周りに自転自由に保持される機構を具えたことを特徴と
   する両面同時研磨装置。
6. 【請求項６】（１）項記載の両面同時研磨装置におい
   て、第１もしくは第２の研磨定盤の研磨作用面と反対側
   の面の１箇所もしくは複数の箇所に着力箇所を設け、各
   着力箇所の加圧力を任意に制御できる加工圧力制御機構
   を具えたことを特徴とする両面同時研磨装置。
7. 【請求項７】（１）項記載の両面同時研磨装置におい
   て、研磨定盤のいずれか一方もしくは、キャリアのいず
   れかに研磨面に平行な揺動を与える回転軸心揺動装置を
   具えたことを特徴とする両面同時研磨装置。