JPH11221757A - 回転加工工具を用いた加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率で加工ダメージが殆ど無い、高精度か
つ安価な加工方法及びそのための加工装置を提供する。 【解決手段】 被加工物２０の表面上に加工液層１１３
を作り、回転加工工具１０１を切込み方向に送り、被加
工物表面との接触前に、被加工物表面上の加工液層を、
加工工具回転用モータ１０２の負荷電流変化等で検出す
ることにより、被加工物表面からの位置を検出する。そ
の位置情報を基にして、回転加工工具の切込み方向送り
速度、回転速度、水平移動速度、又は被加工物の回転速
度、水平移動速度を、被加工物表面と接触する前後のそ
れぞれの領域において加工条件に合わせて最適な条件で
可変制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転する加工工具
を用いて、被加工物表面を加工する加工技術に関し、特
に、短時間かつ高能率で、加工ダメージが殆ど無い、高
精度かつ安価な加工方法及びそのための加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】被加工物の表面位置が正確には不明な場
合に、回転する加工工具（回転加工工具）を被加工物の
表面に押し付けて被加工物表面を加工する方法として
は、次のようなものがある。なお、被加工物表面の位置
を検出する手段としてレーザ変位計など専用の計測装置
があるが、それらの計測装置は高価であり、かつ、加工
物表面の加工液や表面凹凸等の影響を受け易く、その影
響を除くための装置構成が複雑となるので、ここではそ
れらの計測装置を用いて被加工物表面の位置を検出する
方法は除外して考える。

【０００３】第１の方法は、回転する加工工具の送り量
を被加工物表面より十分に深く設定し、回転加工工具と
被加工物表面との接触を検出することなく、一定の送り
速度で被加工物表面より十分に深くまで加工する方法で
ある。この場合、回転加工工具が被加工物表面と接触す
る時に発生する大きな加工ダメージが問題である。この
方法で加工ダメージを小さくするには、回転加工工具の
送り速度を非常に遅くすればよい。しかし、被加工物の
表面位置が不明のため、長いストロークを非常に遅い送
り速度で送らなければならない。このため、加工時間は
非常に長くなり、非常に低能率で、切削量も多く、無駄
が多い。

【０００４】第２の方法は、回転加工工具を送りながら
被加工物表面との接触を検出し、接触を検出した直後
に、回転加工工具の送り速度を減速して被加工物表面を
加工する方法である。この回転加工工具と被加工物表面
との接触の検出は、例えば、加工工具を回転させるモー
タの負荷電流変化で行う。この方法でも、回転加工工具
は送り速度を減速出来ないで被加工物表面と接触するた
め、接触時に大きな加工ダメージが発生し易く、問題で
ある。ただし、この方法では、回転加工工具の送り速度
は、被加工物との接触後に減速出来、接触位置も検出出
来るため、その後の仕上げ加工で加工ダメージはある程
度は軽減できるが、仕上げ加工時の切削量が多くなる。
この方法で、上記接触時の加工ダメージを小さくするに
は、事前に被加工物の表面位置が不明のため、第１の方
法と同様に長いストロークを非常に遅い送り速度で回転
工具を送らなければならない。このため、加工時間が非
常に長くなり、非常に低能率である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、被加工物
の表面位置が正確には不明な場合に、回転加工工具を被
加工物の表面に押し付けて被加工物表面を加工する従来
の加工方法は、非能率であったり、大きな加工ダメージ
が発生し易く、また、切削量も多くなりがちで問題があ
る。一方、最近、短時間かつ高能率で、加工ダメージが
殆ど無い、高精度で安価な加工方法の要求は非常に強
く、上記問題の解決が強く望まれていた。本発明は、こ
のような回転加工工具を用いた加工の現状に鑑みてなさ
れたもので、上記従来の回転加工工具を用いた加工方法
の問題を解決し、短時間かつ高効率で、加工ダメージが
殆ど無い、高精度かつ安価な加工方法、及びそのための
加工装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、被加工物表
面上に加工液層を作り、回転加工工具を切込み方向に送
り、被加工物表面との接触前に、被加工物表面上の加工
液層を加工工具回転用モータの負荷電流変化等で検出す
ることにより、被加工物表面からの回転加工工具の位置
を検出し、その位置情報を基にして回転加工工具の切込
み方向送り速度、回転速度、水平移動速度、又は被加工
物の回転速度、水平移動速度を可変制御することにより
達成できる。

【０００７】すなわち、本発明は、回転加工工具を被加
工物の表面に押し付けて被加工物表面を加工する加工方
法において、転加工工具を切込み方向に送り、回転加工
工具と被加工物表面との接触前に被加工物表面上の加工
液層を検出することにより回転加工工具の被加工物表面
からの位置を検出し、その位置情報を基にして回転加工
工具の切込み方向送り速度又は回転速度を可変制御する
ことを特徴とする。

【０００８】加工液層を検出した直後から、回転加工工
具の切込み方向と直交する水平方向移動速度、又は上記
被加工物の回転速度又は水平移動速度を最適に可変制御
することが望ましく、このような制御により加工時間を
短縮しながら、加工ダメージの殆ど無い加工を行うこと
が可能となる。また、本発明は、回転加工工具を被加工
物の表面に押し付けて被加工物表面を加工する加工方法
において、被加工物を実加工する前に、回転加工工具を
切込み方向と直交する水平方向又は切込み方向に送り、
被加工物表面上の加工液層を検出することにより被加工
物表面の高さ分布を計測し、計測された高さ分布を基に
被加工物を選択的に加工することを特徴とする。実加工
に際しては、前述のように、回転加工工具と被加工物表
面との接触前に被加工物表面上の加工液層を検出するこ
とにより回転加工工具の被加工物表面からの位置を検出
し、その位置情報を基にして回転加工工具の切込み方向
送り速度又は回転速度を可変制御する。

【０００９】被加工物表面の高さ分布を計測する際の回
転加工工具の水平方向の送り範囲は予め定められてい
る。すなわち、回転加工工具が被加工物表面から外れる
ことのない範囲で、特に後述のように回転加工工具に加
工液カバーが取り付けられている場合には加工液カバー
が被加工物表面から外れない範囲で水平送りを行う。加
工液層の検出は、加工工具を回転させるモータの負荷電
流変化によって、あるいは回転加工工具又は該回転加工
工具の回転モータの振動振幅変化又は振動周波数変化に
よって、さらには回転加工工具近傍又は該回転加工工具
の回転モータ近傍の音振幅変化又は音周波数変化によっ
て行うことができる。

【００１０】回転加工工具の外側にカバーを設け、カバ
ーの内側に加工液を供給し、カバーと被加工物表面との
間隙から加工液を排出するようにすることもできる。ま
た、本発明による回転加工工具を用いた加工装置は、回
転加工工具と、加工工具を回転駆動するためのモータ
と、回転加工工具を被加工物の方向に駆動する駆動手段
と、駆動手段を制御する制御手段と、被加工物の表面に
加工液を供給する加工液供給手段と、回転加工工具と被
加工物表面の加工液との接触状態を検出する検出手段と
を備えることを特徴とする。

【００１１】回転加工工具の外周に配置され、駆動手段
によって回転加工工具と共に駆動されるカバーを備え、
加工液供給手段はカバーの内側に加工液を供給するのが
好ましい。制御手段は、駆動手段による回転加工工具の
駆動中に、検出手段により加工工具と被加工物表面の加
工液との接触が検出されたとき、駆動手段による回転加
工工具の駆動速度を低下させる制御を行う。このような
制御により、加工時間を短縮しながら、加工ダメージの
殆ど無い加工を行うことができる。

【００１２】検出手段は、モータの負荷電流変化を検出
するもの、回転加工工具又はモータの振動振幅変化又は
振動周波数変化を検出するもの、あるいは回転加工工具
近傍又はモータ近傍の音振幅変化又は音周波数変化を検
出するものとすることができる。本発明によれば、被加
工物の表面位置が正確には不明の場合にも、特別な計測
装置を用いることなく回転加工工具が被加工表面に接触
する直前の位置に達したことを知ることができ、その時
点から回転加工工具の切り込み方向送り速度を低速に変
更することで回転加工工具が被加工物表面に接触する際
の切り込み方向速度を確実に遅くできるため、加工時間
を最短にすることができ、高能率で、加工ダメージが殆
ど無く、高精度かつ安価な加工を行なうことができる。

【００１３】すなわち、被加工物の表面位置が正確には
不明の場合に、被加工物表面上に加工液層を作り、回転
加工工具を切込み方向に送り、被加工物表面との接触前
に、被加工物表面上の加工液層を、加工工具回転用モー
タの負荷電流変化等で検出することにより、被加工物表
面からの位置を検出することができる。そして、その位
置情報を基にして、回転加工工具の切込み方向送り速
度、回転速度、水平移動速度、又は、被加工物の回転速
度、水平移動速度を、被加工物表面と接触する前後の、
それぞれの領域において、加工条件に合わせて最適な条
件で可変制御することができる。これにより、加工時間
の短縮も可能となり、高能率で、加工ダメージが殆ど無
く、高精度かつ安価な加工を行うことができる。

【００１４】さらに、回転加工工具の外周に、加工液カ
バーを設けて、この内側に加工液層を作る時に、その内
側に加工液を供給するため、加工液で回転加工工具を十
分に冷却して一定温度に保つため、熱膨張がなく高精度
となり、刃先の長寿命化にも有効である。また、加工液
カバーは、加工液、切削粉、切削廃液等の飛散防止や発
塵防止、加工液によるクリーニングの効果があり、これ
らを真空吸引等により除去ことも出来るので、半導体製
造装置等クリーン化が要求される装置に適している。

【００１５】また、本発明は、半導体素子をはじめ、液
晶表示素子やマイクロマシン、磁気ディスク基板、光デ
ィスク基板及びフレネルレンズ等の微細な表面構造を有
する光学素子や、その他ガラス、セラミックス等、高能
率で、加工ダメージが殆どなく、高精度かつ安価に加工
する必要がある部品の、製造又は加工に適用することが
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による加工装置の
一例の説明図である。この加工装置は、短時間かつ高能
率で、加工ダメージが殆ど無い、高精度かつ安価な加工
方法の要求が特に強い、半導体ウェハ平坦化装置に本発
明を適用した例である。

【００１７】半導体装置の高集積化により、３次元化し
たウェハ基板１表面を研磨して平坦化をするために、ウ
ェハ研磨砥石２０又はウェハ研磨パットを用いる。ここ
で、このウェハ研磨砥石２０はＰＣＴ／ＪＰ９５／０１
８１４「加工研磨法」に記載の砥石とすることができ
る。また、この研磨パットは、良く知られているＣＭＰ
（Chemical Mechanical Polishing）と呼ばれる化学機
械式研磨法で用いる研磨パットである。ウェハ研磨砥石
２０又はウェハ研磨パットを定盤１２上に固定して回転
しておく。ウェハ基板１は弾性のある押さえパット１３
を介してウェハホルダ１４に固定する。このウェハホル
ダ１４を回転しながらウェハ研磨砥石２０又はウェハ研
磨パット表面に荷重し、砥石の場合は純水等、研磨パッ
トの場合は研磨スラリを、それぞれの表面に供給するこ
とにより、ウェハ基板１表面上の絶縁膜等の凸部が研磨
除去され、平坦化される。

【００１８】この時、ウェハ研磨砥石２０又は研磨パッ
ト表面も加工され、目詰まりや表面全体形状変化が生じ
る。そのため、このような平坦化装置においては、ウェ
ハ研磨砥石２０又はウェハ研磨パットの表面を、頻繁
に、目立て、あるいは毛羽立て、あるいは表面全体形状
創成等の表面修正を、短時間かつ高能率で行う、加工ダ
メージが殆ど無い、高精度かつ安価な加工方法の要求は
非常に強い。

【００１９】この実施の形態は、本発明をこのウェハ研
磨砥石２０又はウェハ研磨パット表面の加工方法に適用
した例である。ウェハ研磨砥石２０又はウェハ研磨パッ
ト等、すなわち被加工物２０は、定盤１２上に固定して
回転させておく。この被加工物２０は、被加工物回転台
である定盤１２を介して、被加工物回転モータである定
盤回転モータ１２１及びその定盤回転モータ制御部１２
２及びその制御装置１０７により、その回転速度を可変
制御できる。

【００２０】刃先部に、ダイヤモンド粒４１又はセラミ
ック粒等が設けられた加工工具であるダイヤモンド砥石
１０１又はセラミックス砥石は、加工工具回転モータで
あるスピンドルモータ１０２に駆動されて、例えば１０
０００ｒｐｍで高速回転し、例えば１０ｒｐｍ程度の回
転速度で回転するウェハ研磨砥石等被加工物２０の表面
をμｍオーダの切込み量で精密加工する。

【００２１】ここで、スピンドルモータ１０２の回転速
度は、制御装置１０７から与えられた指示で、スピンド
ルモータ制御部１０９で制御でき、スピンドルモータ１
０２の負荷電流変化は、スピンドルモータ負荷電流変化
検出部１１０で検出できる。スピンドルモータ１０２
は、Ｚ移動台１０３に設けられており、Ｚ駆動系１０４
に駆動されて、図中Ｚ軸方向、すなわち切込み方向に移
動可能である。さらにこのＺ移動台１０３は、Ｘ駆動系
１０６により、水平方向のＸ軸方向に移動されるＸ軸移
動台１０５上でＸ方向の運動を規制されるので、Ｘ移動
台の動きによって、ダイヤモンド砥石１０１は送り量を
保ったまま砥石２０半径方向に直線運動できる。

【００２２】他方、ダイヤモンド砥石１０１の送り量
は、Ｚ移動台１０３の位置決め座標で決定され、制御装
置１０７の指示によって与えられる。また、加工工具で
あるダイヤモンド砥石１０１の外周に、加工液カバー１
１２を設けて、この加工液カバーの内側に加工液１１１
を供給し、この加工液カバー１１２と、被加工物である
ウェハ研磨砥石２０表面との間隙から加工液１１１を排
出し、加工液層１１３を作る。

【００２３】上記構成からなる加工系は次のように動作
する。まず、ウェハ基板１の研磨に先立って、ウェハ研
磨砥石２０表面修正の加工作業開始指示が与えられる
と、ウェハ研磨用砥石２０は回転を始め、加工液１１１
は加工液カバー１１２の内側に供給される。また、加工
工具であるダイヤモンド砥石１０１は、スピンドルモー
タ１０２によって、例えば１００００ｒｐｍで高速回転
する。制御装置１０７はダイヤモンド砥石１０１を初期
速度、例えば５０μｍ／ｓで送るようにＺ駆動系１０４
に切込み方向への移動指示を与えながら、スピンドルモ
ータ負荷電流変化検出部１１０で、スピンドルモータ負
荷電流変化を検出し、ダイヤモンド砥石１０１のＺ送り
速度を加工に最適に可変制御する。

【００２４】この時のスピンドルモータ負荷電流変化の
一例を図２に、加工工具であるダイヤモンド砥石１０１
のＺ送り速度の時間変化の一例を図３に示す。図２にお
いて、スピンドルモータ１０２で回転するダイヤモンド
砥石１０１を５０μｍ／ｓのＺ送り速度で送ると、３秒
後のＴ１、すなわちＺ送りを１５０μｍしたところで、
加工液層１１３によりスピンドルモータ負荷電流は急増
する。この位置は、ここで説明する例では、ウェハ研磨
砥石２０表面から５０μｍ上方の位置であった。この値
は、加工液１１１の条件又はウェハ研磨砥石２０の回転
数変更等で設定変更が可能である。このように、スピン
ドルモータ負荷電流変化を検出することにより加工液層
１１３を検出し、被加工物であるウェハ研磨砥石２０表
面からの位置を検出することが出来る。

【００２５】この位置情報を基にして、図３に示すよう
に、ダイヤモンド砥石１０１のＺ送り速度を５０μｍ／
ｓから５μｍ／ｓに減速制御し、ウェハ研磨砥石２０表
面との接触時Ｔ２のＺ送り速度を５μｍと、十分に遅く
して、加工ダメージが殆ど無く、高精度に加工すること
ができる。その後、図３に示すように、Ｔ２からＴ３ま
でＺ送り速度５μｍ／ｓのまま、ウェハ研磨用砥石２０
表面から２μｍ切込み加工し、加工ダメージが殆どない
状態で、Ｔ３で切込み加工終了する。

【００２６】なお、図２に示すように、Ｔ２でのスピン
ドルモータ負荷電流変化から、ダイヤモンド砥石１０１
のウェハ研磨砥石２０表面との接触位置を検出すること
ができる。また、Ｔ３でのスピンドルモータ負荷電流変
化から、切込み加工の終了を検出することも可能であ
る。その後、Ｘ駆動系１０６に、例えば１０ｍｍ／ｓ程
度の速度で連続移動するように指示を与える。Ｘ移動台
１０５はウェハ研磨砥石２０の半径分の範囲を移動し、
ダイヤモンド砥石１０１がウェハ研磨砥石２０全面を研
削除去する。これによって、ウェハ研磨砥石２０表面
は、短時間かつ高効率で、加工ダメージが殆ど無く、高
精度加工できたわけである。

【００２７】ここで、加工工具であるダイヤモンド砥石
１０１の回転速度、切込み方向の送り速度、Ｘ移動速
度、及び被加工物である砥石２０の回転速度は、ウェハ
研磨砥石２０接触前後の領域において、許容加工時間、
許容加工ダメージ、ウェハ研磨砥石２０の種類等の加工
条件に合わせて、最適な条件に設定される。また、ウェ
ハ研磨砥石２０を実加工する前に、ダイヤモンド砥石１
０１をＸ移動、又はＺ移動させ、スピンドルモータ１０
２の負荷電流変化を検出することにより、ウェハ研磨砥
石２０表面高さ分布を知ることができる。ダイヤモンド
砥石１０１の各Ｘ送り位置において、ダイヤモンド砥石
１０１をＺ送りしながら、スピンドルモータ１０２の負
荷電流が急変するＴ１時のＺ送り位置を読取り、ウェハ
研磨砥石２０表面高さ位置を検出する。

【００２８】このようにして、図５に一例を示すよう
に、各Ｘ送り位置におけるウェハ研磨砥石２０の表面高
さ分布を知ることができる。そして、ウェハ研磨砥石２
０表面で１番高いところ等を選択的に加工することも可
能である。ここで、ウェハ研磨砥石２０の表面高さ分布
を計測する際のダイヤモンド砥石１０１のＸ移動は、加
工液カバー１１２がウェハ研磨砥石２０から外れない範
囲とするのが良い。

【００２９】このように、被加工物であるウェハ研磨砥
石２０表面との接触前に、ウェハ研磨砥石２０表面上の
加工液層１１３を、回転加工工具であるダイヤモンド砥
石１０１を回転させるスピンドルモータ１０２の負荷電
流変化で検出することにより、ウェハ研磨砥石２０表面
からのダイヤモンド砥石１０１の位置を検出し、その位
置情報を基にして、ウェハ研磨砥石２０表面との接触前
後のそれぞれの領域において、ダイヤモンド砥石１０１
の切込み方向送り速度、回転速度、水平移動速度、又は
ウェハ研磨砥石２０の回転速度の各速度を、加工条件に
合わせて、最適な条件に可変制御することが出来る。

【００３０】これによって、ダイヤモンド砥石１０１の
切込み方向のＺ送り速度は、ダイヤモンド砥石１０１の
退避位置からウェハ研磨砥石２０表面との接触前の領域
では、初期速度を高速とし、接触位置近くで十分に低速
にしてウェハ研磨砥石２０表面と接触して、所定切込み
量加工することにより、短時間かつ高能率、加工ダメー
ジの殆どない加工ができる。ここで、スピンドルモータ
１０２の負荷電流は、スピンドルモータ制御部１０９か
ら簡単にモニタすることができ、その負荷電流変化検出
は、既存の電子技術を用いてスピンドルモータ負荷電流
変化検出部１１０で簡単かつ安価に行なうことができ、
その情報を制御装置１０７やスピンドルモータ制御部１
０９に送ることができる。

【００３１】ここで用いた加工液としては、クリーンで
不純物を含まないと言う点から、純水等が望ましい。ま
た、加工液カバー１１２は、加工液層１１３を作る時
に、その内側に加工液１１１を供給するので、加工液１
１１でダイヤモンド砥石１０１を十分に冷却して一定温
度に保つことができるため、熱膨張がなく高精度とな
り、刃先の長寿命化にも効果が有る。また、加工液カバ
ー１１２は、加工液１１１、切削粉、切削廃液等の飛散
防止や発塵防止、加工液によるクリーニングの効果があ
り、これらを真空吸引等により除去ことも出来るので、
半導体製造装置等クリーン化が要求される装置に適して
いる。ここでは、加工工具としてダイヤモンド砥石１０
１を用いたが、セラミック工具を用いても良い。被加工
物としては、ウェハ研磨砥石２０としたが、研磨パット
でも良い。

【００３２】上記実施の形態では、加工工具の所定切込
み量は一定のまま水平方向のＸ移動を行うが、被加工物
表面形状を曲面にしたい時は、加工工具の切込み量を可
変制御しながら水平方向のＸ移動を行うことができる。
さらに、Ｘ移動に限らず、Ｙ移動もする水平移動制御を
行うこともできる。また、ウェハ研磨砥石２０等の被加
工物は回転制御されているが、水平移動制御を行うこと
もできる。この実施の形態では、回転する加工工具であ
るダイヤモンド砥石１０１の外周に加工液カバー１１２
を設け、この加工液カバーの内側に加工液１１１を供給
して、ウェハ研磨砥石等加工物２０の表面に加工液層１
１３を作っている。しかし、図６に示すように、被加工
物２０の表面上に直接、加工液１１１を滴下して、加工
液層１１３を作ってもよい。

【００３３】また、この実施の形態では、加工液層１１
３を検出する方法として、加工工具１０１を回転させる
スピンドルモータ１０２の負荷電流変化を利用したが、
他の方法として、加工工具１０１又はその回転モータ１
０２の振動信号振幅変化又は振動周波数変化、あるいは
音信号振幅変化又は音周波数変化で検出することも可能
である。この実施の形態を図７、図８及び図９で説明す
る。図７は、本発明による加工装置の他の例の説明図、
図８は振動信号変化で加工液層を検出する方法の説明
図、図９は音信号変化で加工液層を検出する方法の説明
図である。また、図７において図１と同じ機能部分には
図１と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【００３４】図７において、振動検出センサ１１５は、
例えば、スピンドルモータ（加工工具回転モータ）１０
２に取付られ、加工工具１０１又はそのモータ１０２の
振動を振動信号として検出し、検出した信号を信号変化
検出部１１７及び周波数分析部１１８に送る。そして、
この信号変化検出部１１７及び周波数分析部１１８で、
振動信号振幅変化又は振動周波数変化を検出し、スピン
ドルモータ１０２の負荷電流変化検出の時と同様にし
て、振動信号振幅変化位置又は振動周波数変化位置か
ら、加工液層１１３を検出することができる。

【００３５】図２にスピンドルモータ１０２の負荷電流
変化の一例を示したように、図８（ａ）に、振動信号変
化の一例を示す。ダイヤモンド砥石１０１をＺ送りする
と、時間Ｔ１で、加工液層１１３により（ダイヤモンド
砥石１０１が加工液層１１３に接触して）、振動信号の
振幅は急増する。また、この時Ｔ１の前後で、図８
（ｂ）及び（ｃ）に示すように、振動周波数も急変す
る。この位置は、スピンドルモータ１０２の負荷電流急
増位置と同じで、ウェハ研磨砥石２０表面から５０μｍ
上方の位置である。さらにダイヤモンド砥石１０１をＺ
送りすると、時間Ｔ２でウェハ研磨砥石（被加工物）２
０表面と接触して、図８（ａ）に示すように振動信号振
幅が変化する。この時、図８（ｄ）に示すように振動周
波数も変化する。

【００３６】加工工具１０１又はその回転モータ１０２
近傍の音信号振幅変化又は音周波数変化で加工液層１１
３を検出する場合も同様である。図７において、マイク
ロホン（音検出センサ）１１６は、例えば、スピンドル
モータ（加工工具回転モータ）１０２の近傍に取付ら
れ、加工工具１０１又はそのモータ１０２近傍の音信号
を検出し、検出された信号は信号変化検出部１１７及び
周波数分析部１１８に送られる。そして、この信号変化
検出部１１７及び周波数分析部１１８で、音信号振幅変
化又は音周波数変化を検出し、スピンドルモータ１０２
の負荷電流変化検出の時と同様にして、音信号振幅変化
位置又は音周波数変化位置から、加工液層１１３を検出
することができる。

【００３７】図８で振動信号振幅変化又は振動周波数変
化の一例を示したように、図９に、音信号振幅変化位置
又は音周波数変化の一例を示す。ダイヤモンド砥石１０
１をＺ送りすると、時間Ｔ１で、加工液層１１３により
（ダイヤモンド砥石１０１が加工液層１１３に接触し
て）、図９（ａ）に示すように音信号の振幅は急増し、
（ｂ）及び（ｃ）に示すように音周波数も急変する。こ
の位置は、スピンドルモータ１０２の負荷電流急増位置
と同じで、ウェハ研磨砥石２０表面から５０μｍ上方の
位置である。さらに、ダイヤモンド砥石１０１をＺ送り
すると、時間Ｔ２でウェハ研磨砥石（被加工物）２０表
面と接触して、図９（ａ）に示すように音信号振幅が変
化し、この時、図８（ｄ）に示すように音周波数も変化
する。

【００３８】このように、本発明によると、回転加工工
具（ダイヤモンド砥石１０１）がウェハ研磨砥石２０表
面から５０μｍ上方の位置に達した時点を高い信頼性を
持って検出することができる。従って、その時点を境に
回転加工工具１０１のＺ送り速度を加工ダメージが発生
しないような低速度に変更することにより、短時間かつ
高能率で、加工ダメージが殆ど無い、高精度かつ安価な
加工を行うことができる。

【００３９】次に、本発明を実施するのに適した加工装
置の具体的構成例を図４を用いて説明する。図４に示し
た加工装置は、基本的には２プラテン、２ヘッド構成の
研磨装置であり、ウェハ研磨工具としてウェハ研磨砥石
を用いている点と、そのウェハ研磨砥石をドレッシング
するのに、短時間かつ高能率であり、加工ダメージが殆
ど無く、高精度かつ安価に加工できる本発明の加工方法
が適用されている点に特徴がある。第一の砥石定盤５１
には平坦化性能が高い、弾性率が最適化された砥石が上
面に接着されており、第二の砥石定盤５２には仕上げ用
の弾性率の小さい砥石が上面に接着されている。これら
の砥石定盤５１，５２はそれぞれ２０ｒｐｍ程度の一定
速度で回転しながらウェハを研磨する。

【００４０】加工前に、第一の砥石定盤５１のドレッシ
ングを行なう。回転揺動アーム１０８の先端に取り付け
られたスピンドルモータ１０２は、小径ダイヤモンド砥
石１０１を１００００ｒｐｍで高速回転させ、２０ｒｐ
ｍで回転している砥石定盤５１の表面をドレッシングす
る。小径ダイヤモンド砥石１０１の外周には、加工液カ
バー１１２が設けてあり、この加工液カバー１１２の内
側に加工液である純水を供給し、砥石定盤５１表面上に
加工液層を作る。

【００４１】加工工具である小径ダイヤモンド砥石１０
１を回転させながら、Ｚ移動台１０３で切込み方向に送
り、砥石定盤５１表面との接触前に、砥石定盤５１表面
上の加工液層を、スピンドルモータ１０２の負荷電流変
化で検出することにより、砥石定盤５１表面からの小径
ダイヤモンド砥石１０１の位置を検出できる。そして、
その位置情報を基にして、砥石定盤５１表面との接触前
後の、それぞれの領域において、加工条件に合わせて、
小径ダイヤモンド砥石１０１の切込み方向の送り速度等
を最適な条件に可変制御することができ、加工ダメージ
が殆ど無い状態で、例えば１μｍ切込まれる。アームの
揺動周期はおよそ３０秒であり、これが終了すればウェ
ハ研磨のための準備が出来たことになる。

【００４２】この実施の形態ではアーム回転揺動型とし
ているが、これを図１に示すような直動型としても良い
ことは明らかである。さらに、この実施の形態はウェハ
平坦化研磨加工前にドレッシングを行なう例であるが、
加工中にドレッシングを行なっても良いことは先に述べ
たとおりである。さて、ドレッシングが終了するといよ
いよウェハの研磨加工に入る。被加工ウェハ５５はハン
ドリングロボット５４によってローダカセット５３から
取り出され、直動キャリア５６上のロードリング５７上
に載せられる。次に、上記直動キャリヤ５６が図中左方
向に移動し、ロード／アンロードポジションに位置決め
されると、研磨アーム５８が回転移動し、その先端に設
けらているウェハ研磨ホルダ５９の下面に上記被加工ウ
ェハ５５を真空吸着する。

【００４３】次に、研磨アーム５８はウェハ研磨ホルダ
５９が第一の砥石定盤５１の上に位置するように回転す
る。ウェハ研磨ホルダ５９は下面に吸着している被加工
ウェハ５５を砥石上に押しつけ、回転しながら加工す
る。上記第一の加工工程が終わると、次に、ウェハ研磨
ホルダ５９が第二の砥石定盤５２の上に位置するよう
に、研磨アーム５８が回転する。その後、ウェハ研磨ホ
ルダ５９は下面に吸着している被加工ウェハ５５を第二
の砥石定盤５２上に押し付けながら回転し、仕上げ加工
する。

【００４４】さて、上記２段の加工が終了すると、次に
洗浄工程に入る。研磨アーム５８が回転し、今度はウェ
ハ研磨ホルダ５９を回転ブラシ６０が設けられている洗
浄ポジション上に位置付ける。回転ブラシ６０は、回転
しながらウェハ研磨ホルダ５９下面に吸着されている被
加工ウェハ５５の加工面を水洗ブラシで洗浄する。洗浄
が終了すると、直動キャリア５６が再び上記洗浄ポジシ
ョン上まで移動し、ウェハ研磨ホルダ５９の真空吸着か
ら開放された被加工ウェハを受け取る。なお、ここでは
回転ブラシを用いたが、その代わりに超音波を与えたジ
ェット水流による洗浄法を用いることもできる。その
後、直動キャリア５６がロード／アンロードポジション
まで戻ると、ウェハハンドリングロボット５４が加工済
みのウェハを掴み、これをアンロードカセット６１に収
納する。

【００４５】以上が研磨アーム５８の一周期分の動作で
ある。同様に研磨アーム６２もこれと平行して動作す
る。当然のことながら、これは２つの研磨定盤を時分割
して有効に活用するためである。研磨アーム６２の動作
シーケンスは研磨アーム５８のシーケンスと全く同一で
あるが、半周期だけ位相が遅れたものとなっている。即
ち、研磨アーム６２は上記第二の研磨工程の開始に合わ
せて動作を開始する。

【００４６】上記実施の形態は研磨アームの数が２本
で、ドレッシング装置は１系統のみとする場合に適した
構成例であり、２本の研磨アームの回転軌跡が交差又は
接する位置を設け、ここに一組の洗浄ブラシやロード／
アンロードのための直動キャリアの停止位置を設けるこ
とにより、２本の研磨アームでこれらの機能を兼用する
ことができる構成となっている。上記実施の形態でドレ
スするのは第一の研磨定盤のみであるが、必要によって
はドレッシング装置の回転中心位置を変更して第二の研
磨定盤もドレスできるようにしたり、あるいは別途第二
のドレッシング装置を設けても良い。

【００４７】これまでは２本の研磨アームを設ける実施
の形態について説明してきたが、構成を簡略化するため
に当然のことながらこれを１本とすることもできる。逆
に装置のスループットを向上させるため、研磨アームの
数を３本以上にしたり、１本の研磨アームに複数のウェ
ハ研磨ホルダを取り付ける構成として良い。さらに上記
実施の形態では、研磨パット用と砥石用にそれぞれ独立
した２つの回転定盤を設けてあるが、これを１つの回転
定盤とすることも可能である。すなわち、回転定盤の周
辺部にはリング状の砥石を設け、その中央部に仕上げ用
砥石を設けるのである。その他にも、装置のフットプリ
ント（設置のための投影面積）を小さくするために回転
定盤を傾けた設計とすることも可能である。

【００４８】この実施の形態によれば、第１の砥石定盤
５１又は第２の砥石定盤５２の表面をドレッシングする
のに、加工工具である小径ダイヤモンド砥石１０１のＺ
送り速度を、図３のように可変制御できるため、約７秒
で切込み加工ができる。しかし、従来の方法だと、第１
の砥石定盤５１又は第２の砥石定盤５２の表面位置が正
確には不明のため、加工ダメージが生じないように、図
３の非常に遅い最終速度（５μｍ／ｓ）の定速で、小径
ダイヤモンド砥石１０１を２００μｍＺ送りしなければ
ならず、切込み加工に約４０秒という長い時間が必要で
ある。すなわち、この実施の形態によれば、この約４０
秒を約７秒とすることができ、非常に短時間かつ高効率
の加工が実現可能となる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、加工時間を短縮するこ
とができ、高能率で加工ダメージが殆ど無く、高精度か
つ安価な加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による加工装置の一例を示す説明図。

【図２】スピンドルモータ負荷電流変化の一例を示す
図。

【図３】加工工具切込み方向への送り速度可変制御を説
明する図。

【図４】本発明による加工装置の構成を示す図。

【図５】本発明によって計測したウェハ研磨砥石表面高
さ分布の一例を示す図。

【図６】加工液層を作る他の例を示す図。

【図７】本発明による加工装置の他の例を示す説明図。

【図８】振動信号変化で加工液層を検出する方法を説明
する図。

【図９】音信号変化で加工液層を検出する方法を説明す
る図。

【符号の説明】

１…ウェハ基板、１２…定盤、１３…押さえパット、１
４…ウェハホルダ、２０…ウェハ研磨砥石、４１…ダイ
ヤモンド粒、５１…第一の砥石定盤、５２…第二の砥石
定盤、５３…ローダカセット、５４…ハンドリングロボ
ット、５５…被加工ウェハ、５６…直動キャリヤ、５７
…ロードリング、５８…研磨アーム、５９…ウェハ研磨
ホルダ、６０…回転ブラシ、６１…アンローダカセッ
ト、６２…研磨アーム、６３…ウェハ研磨ホルダ、１０
１…ダイヤモンド砥石（回転加工工具）、１０２…スピ
ンドルモータ（加工工具回転モータ）、１０３…Ｚ移動
台（加工工具送り台）、１０４…Ｚ駆動系、１０５…Ｘ
移動台（水平方向移動台）、１０６…Ｘ駆動系（水平方
向駆動系）、１０７…制御装置、１０８…回転揺動アー
ム、１０９…スピンドルモータ制御部（加工工具回転モ
ータ制御部）、１１０…スピンドルモータ負荷電流変化
検出部（モータ負荷電流変化検出部）、１１１…加工
液、１１２…加工液カバー、１１３…加工液層、１２１
…定盤回転モータ（被加工物回転モータ）、１２２…定
盤回転モータ制御部（被加工物回転モータ制御部）、１
１５…振動検出センサ、１１６…マイクロホン（音検出
センサ）、１１７…信号変化検出部、１１８…周波数分
析部（高速フーリエ変換等）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森山 茂夫 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 片桐 創一 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 石田 ▼吉▲弘 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 河合 亮成 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 安井 感 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転加工工具を被加工物の表面に押し付
   けて被加工物表面を加工する加工方法において、 前記回転加工工具を切込み方向に送り、前記回転加工工
   具と前記被加工物表面との接触前に前記被加工物表面上
   の加工液層を検出することにより前記回転加工工具の前
   記被加工物表面からの位置を検出し、その位置情報を基
   にして前記回転加工工具の切込み方向送り速度又は回転
   速度を可変制御することを特徴とする加工方法。
2. 【請求項２】 前記加工液層を検出した直後から、前記
   回転加工工具の切込み方向と直交する水平方向移動速
   度、又は上記被加工物の回転速度又は水平移動速度を最
   適に可変制御することを特徴とする請求項１記載の加工
   方法。
3. 【請求項３】 回転加工工具を被加工物の表面に押し付
   けて被加工物表面を加工する加工方法において、 被加工物を実加工する前に、前記回転加工工具を切込み
   方向と直交する水平方向又は切込み方向に送り、前記被
   加工物表面上の加工液層を検出することにより被加工物
   表面の高さ分布を計測し、計測された高さ分布を基に前
   記被加工物を選択的に加工することを特徴とする加工方
   法。
4. 【請求項４】 前記被加工物表面の高さ分布を計測する
   際の前記回転加工工具の水平方向の送り範囲は予め定め
   られていることを特徴とする請求項３記載の加工方法。
5. 【請求項５】 前記加工工具を回転させるモータの負荷
   電流変化によって前記加工液層の検出を行うことを特徴
   とする請求項１〜４のいずれか１項記載の加工方法。
6. 【請求項６】 前記回転加工工具又は該回転加工工具の
   回転モータの振動振幅変化又は振動周波数変化によって
   前記加工液層を検出することを特徴とする請求項１〜４
   のいずれか１項記載の加工方法。
7. 【請求項７】 前記回転加工工具近傍又は該回転加工工
   具の回転モータ近傍の音振幅変化又は音周波数変化によ
   って前記加工液層を検出することを特徴とする請求項１
   〜４のいずれか１項記載の加工方法。
8. 【請求項８】 前記回転加工工具の外側にカバーを設
   け、前記カバーの内側に加工液を供給し、前記カバーと
   前記被加工物表面との間隙から加工液を排出することを
   特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の加工方
   法。
9. 【請求項９】 回転加工工具と、前記加工工具を回転駆
   動するためのモータと、前記回転加工工具を被加工物の
   方向に駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制
   御手段と、被加工物の表面に加工液を供給する加工液供
   給手段と、前記回転加工工具と前記被加工物表面の加工
   液との接触状態を検出する検出手段とを備えることを特
   徴とする回転加工工具を用いた加工装置。
10. 【請求項１０】 前記回転加工工具の外周に配置され、
    前記駆動手段によって前記回転加工工具と共に駆動され
    るカバーを備え、前記加工液供給手段は前記カバーの内
    側に加工液を供給することを特徴とする請求項９記載の
    加工装置。
11. 【請求項１１】 前記制御手段は、前記駆動手段による
    前記回転加工工具の駆動中に、前記検出手段により前記
    加工工具と前記被加工物表面の加工液との接触が検出さ
    れたとき、前記駆動手段による前記回転加工工具の駆動
    速度を低下させることを特徴とする請求項９又は１０記
    載の加工装置。
12. 【請求項１２】 前記検出手段は、前記モータの負荷電
    流変化を検出するものであることを特徴とする請求項
    ９、１０又は１１記載の加工装置。
13. 【請求項１３】 前記検出手段は、前記回転加工工具又
    は前記モータの振動振幅変化又は振動周波数変化を検出
    するものであることを特徴とする請求項９、１０又は１
    １記載の加工装置。
14. 【請求項１４】 前記検出手段は、前記回転加工工具近
    傍又は前記モータ近傍の音振幅変化又は音周波数変化を
    検出するものであることを特徴とする請求項９、１０又
    は１１記載の加工装置。