KR20210093167A

KR20210093167A - 연마 헤드 시스템 및 연마 장치

Info

Publication number: KR20210093167A
Application number: KR1020210003685A
Authority: KR
Inventors: 이츠키 고바타; 호즈미 야스다; 아키오 야나이; 노부유키 다카하시; 다카마사 나카무라; 게이스케 사카타; 노부유키 다카다; 유지 야기; 야스히로 다카다; 가츠히데 와타나베
Original assignee: 가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2021-07-27
Also published as: CN113134785A; CN113134785B; US20210237224A1; TW202128350A; JP2021112797A; SG10202100222WA

Abstract

[과제] 웨이퍼, 기판, 패널 등의 워크 피스의 막 두께 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있는 연마 헤드 시스템을 제공한다.
[해결 수단] 연마 헤드 시스템은, 복수의 압박력을 워크 피스(W)에 가하는 복수의 압전 소자(47)를 갖는 연마 헤드(7)와, 복수의 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하는 동작 제어부(10)를 구비하고 있다.

Description

연마 헤드 시스템 및 연마 장치 {POLISHING HEAD SYSTEM AND POLISHING APPARATUS}

본 발명은, 웨이퍼, 기판, 패널 등의 워크 피스를 연마 패드의 연마면에 압박하여 해당 워크 피스를 연마하는 연마 헤드 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 그러한 연마 헤드 시스템을 구비한 연마 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 제조에서는, 웨이퍼 상에 여러 종류의 막이 형성된다. 배선·콘택트의 형성 공정에서는, 성막 공정 후에는, 막의 불필요한 부분이나 표면 요철을 제거하기 위해서, 웨이퍼가 연마된다. 화학 기계 연마(CMP)는 웨이퍼 연마의 대표적인 기술이다. 이 CMP는, 연마면 상에 연마액을 공급하면서, 웨이퍼를 연마면에 미끄럼 접촉시킴으로써 행해진다. 웨이퍼에 형성된 막은, 연마액에 포함되는 지립 또는 연마 패드에 의한 기계적 작용과, 연마액의 화학 성분에 의한 화학적 작용의 복합에 의해 연마된다.

도 32는, CMP에 사용되는 종래의 연마 헤드를 나타내는 단면도이다. 연마 헤드(400)는 캐리어(401)의 하면에 유지된 탄성막(402)을 갖고 있다. 이 탄성막(402)은 동심상의 복수의 원환벽(402a 내지 402d)을 갖고 있다. 이들 원환벽(402a 내지 402d)은 탄성막(402)의 내측 공간을 복수의 압력실(405A 내지 405D)로 분할한다. 이들 압력실(405A 내지 405D)에는 압축 기체가 공급된다. 탄성막(402)은 각각의 압력실(405A 내지 405D)을 채우는 압축 기체의 압력을 받아, 웨이퍼(W)를 연마 패드(500)의 연마면(500a)에 대하여 압박할 수 있다. 복수의 압력실(405A 내지 405D)은 복수의 압력 레귤레이터(R1 내지 R4)에 각각 연통되어 있다. 이들 압력 레귤레이터(R1 내지 R4)는, 대응하는 압력실(405A 내지 405D) 내의 압축 기체의 압력을 독립적으로 제어하는 것이 가능하고, 이에 의해 연마 헤드(400)는 웨이퍼(W)의 다른 영역을 다른 압박력으로 압박할 수 있다.

일본 특허 공개 제2017-047503호 공보

요즘의 반도체 디바이스의 제조에 있어서의 각 공정에의 요구 정밀도는 이미 수nm의 오더에 달하고 있으며, CMP도 그의 예외는 아니다. 또한, 반도체 집적 회로의 형성 고집적화에 수반하여, 미세화, 다층화가 점점 가속되고 있다. 따라서, 이들 미세화나 다층화를 실현하기 위해서는, CMP 연마에 있어서도, 웨이퍼(W)의 전체면에 있어서, 수nm 오더로의 CMP 연마 후의 잔막 두께 변동에 수렴하는 것이 과제로서 요구되고 있다. 본 요구를 달성하기 위해서는, 웨이퍼(W) 면 내 방향에 대하여, 예를 들어 칩 사이즈 레벨의 분해능의 막 두께 프로파일의 제어가 가능한 연마 방식이 필요해진다.

여기서, 웨이퍼(W)에 막을 형성하는 공정은, 도금, 화학 증착(CVD), 물리 증착(PVD) 등의 다양한 성막 기술을 사용하여 행해진다. 이들 성막 기술에서는, 웨이퍼(W)의 전체면에 걸쳐 막이 균일하게 형성되지 않는 경우가 있다. 예를 들어, 웨이퍼(W)의 둘레 방향을 따라서 막 두께의 변동이 있는 경우도 있다.

또한, 도 32에 나타내는 종래의 연마 헤드(400)는, 웨이퍼(W)의 반경 방향을 따른 압박력을 독립적으로 변화시킬 수 있으므로, 웨이퍼(W)의 반경 방향의 막 두께 프로파일을 제어하는 것은 가능하다. 그러나, 압력실(405A 내지 405D)의 배치는 동심상이므로, 상술한 연마 헤드(400)는 웨이퍼(W)의 둘레 방향을 따른 압박력을 제어할 수 없어, 웨이퍼(W)의 둘레 방향에 있어서의 막 두께 프로파일을 제어할 수 없다. 이에 비해서는, 압력실의 분할을 둘레 방향으로도 행하는 방법도 있지만, 그의 실현에 있어서는, 압력실의 치수 및 각 압력실에의 압축 기체의 공급 라인수에 실질 제한이 있기 때문에, 예를 들어 웨이퍼(W) 면 내에 형성된 칩 사이즈 레벨의 분해능의 막 두께 프로파일의 제어는 곤란하다.

그래서, 본 발명은 상기 과제를 감안하여, 웨이퍼, 기판, 패널 등의 워크 피스의 막 두께 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있는 연마 헤드 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명은 그러한 연마 헤드 시스템을 구비한 연마 장치를 제공한다.

일 양태에서는, 워크 피스를 연마면에 대하여 압박하면서, 연마액의 존재 하에서, 해당 워크 피스와 상기 연마면을 상대 운동을 시킴으로써 해당 워크 피스를 연마하기 위한 연마 헤드 시스템이며, 상기 워크 피스의 복수의 영역에 대하여 압박력을 가하는 복수의 액추에이터를 갖는 연마 헤드와, 상기 복수의 액추에이터를 동작시키는 구동원과, 상기 구동원에 대하여 복수의 지령값을 결정하고 또한 송신하는 동작 제어부를 구비하는, 연마 헤드 시스템이 제공된다.

일 양태에서는, 상기 복수의 액추에이터는 복수의 압전 소자이며, 상기 구동원은, 상기 복수의 압전 소자에 독립적으로 전압을 인가하는 전원부 및 전압 제어부를 구비한 구동 전압 인가 장치이며, 상기 동작 제어부는, 상기 복수의 압전 소자에 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하도록 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 복수의 압전 소자는 상기 연마 헤드의 직경 방향 및 둘레 방향을 따라서 분포하고 있다.

일 양태에서는, 상기 복수의 압전 소자는 격자상, 동심원상, 지그재그상 배치 중 어느 하나 또는 그의 조합으로 상기 연마 헤드 내에 배치되어 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압전 소자에 각각 연결된 복수의 압박 부재를 더 구비하고, 상기 복수의 압박 부재는, 상기 복수의 압전 소자에 각각 대향하는 복수의 제1 면과, 상기 워크 피스를 압박하기 위한 복수의 제2 면을 갖고 있다.

일 양태에서는, 상기 복수의 제2 면의 형상은 원형, 타원형, 다각형, 원호형 중 적어도 하나를 포함한다.

일 양태에서는, 상기 복수의 제1 면의 면적은 상기 복수의 제2 면의 면적보다도 크다.

일 양태에서는, 하나의 압박 부재에 적어도 2개의 압전 소자가 연결되어 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압박 부재를 한정된 범위 내에서 이동 가능하게 유지하는 유지 부재를 더 구비하고 있다.

일 양태에서는, 상기 유지 부재는 상기 복수의 압박 부재의, 상기 워크 피스의 압박 방향과 수직인 방향의 이동 범위를 제한하도록 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 복수의 압박 부재는, 전체 방향으로 틸팅 가능한 복수의 가동 부재를 갖는 복수의 짐벌 기구를 각각 구비하고 있고, 상기 복수의 가동 부재는 상기 복수의 제2 면을 각각 갖고 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드는, 워크 피스 접촉면을 갖는 탄성막을 더 구비하고 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드 시스템은, 상기 연마 헤드 내에 압력실을 형성하는 탄성막과, 상기 압력실에 연통하는 압축 기체 공급 라인을 더 구비하고, 상기 압력실은 상기 복수의 압박 부재와 상기 탄성막 사이에 위치하고 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드 시스템은, 상기 연마 헤드 내에 압력실을 형성하는 탄성 시트와, 상기 압력실에 연통하는 압축 기체 공급 라인을 더 구비하고, 상기 압전 소자는 상기 탄성 시트와 상기 복수의 압박 부재 사이에 위치하고 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압전 소자가 각각 발생한 복수의 압박력을 측정하는 복수의 압박력 측정 장치를 더 구비하고 있다.

일 양태에서는, 상기 복수의 압박력 측정 장치는 상기 복수의 압전 소자와 상기 복수의 압박 부재 사이에 배치되어 있다.

일 양태에서는, 상기 복수의 압박력 측정 장치는 복수의 압전 센서이다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드는 전압 분배기를 더 갖고 있으며, 상기 전압 분배기는 상기 구동 전압 인가 장치 및 상기 복수의 압전 소자에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 구동 전압 인가 장치로부터 인가된 전압을 해당 복수의 압전 소자에 분배하도록 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 전압 분배기는, 상기 구동 전압 인가 장치로부터 인가된 전압을 상기 복수의 압전 소자에 분배하는 분기 장치와, 상기 분기 장치 및 상기 구동 전압 인가 장치에 접속된 통신 장치를 갖는다.

일 양태에서는, 상기 전압 분배기는, 상기 복수의 압전 소자와 접촉하는 복수의 플런저와, 상기 복수의 플런저와 상기 분기 장치를 전기적으로 접속하는 전력 분배선을 더 갖는다.

일 양태에서는, 상기 전압 분배기는 상기 연마 헤드에 착탈 가능하게 설치된다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압전 소자의 온도를 측정하는 온도 측정기를 더 갖는다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드 시스템은 상기 연마 헤드의 워크 피스 접촉면에 연통하는 진공 라인을 더 구비하고 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압전 소자의 외측에 위치하는 리테이너 링과, 상기 리테이너 링에 고정된 적어도 3개의 워크 피스 척 기구를 더 구비하고 있다.

일 양태에서는, 상기 전원부는 직류 전원이다.

일 양태에서는, 워크 피스의 연마 장치이며, 연마 패드를 유지하는 연마 테이블과, 연마액을 상기 연마 패드 상에 공급하는 연마액 공급 노즐과, 상기 연마 헤드 시스템을 구비하는, 연마 장치가 제공된다.

일 양태에서는, 상기 연마 장치는 상기 워크 피스의 막 두께를 측정하는 막 두께 센서를 더 구비하고 있고, 상기 막 두께 센서는 상기 연마 테이블 내에 배치되어 있다.

일 양태에서는, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 센서에 의해 취득된 상기 워크 피스의 막 두께의 측정값으로부터 막 두께 프로파일을 작성하고, 해당 막 두께 프로파일을 바탕으로, 상기 복수의 액추에이터를 구동시키도록, 상기 구동원에 지시하게 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 프로파일과 목표 막 두께 프로파일의 차를 바탕으로, 상기 복수의 액추에이터의 구동 조건을 결정하고, 상기 구동원에 지시하게 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 센서에 의해 취득된 상기 워크 피스의 막 두께의 측정값으로부터 막 두께 프로파일을 작성하고, 해당 막 두께 프로파일을 바탕으로, 상기 복수의 압전 소자에 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하도록 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 프로파일과 목표 막 두께 프로파일의 차를 바탕으로, 상기 복수의 압전 소자에 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하도록 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 장치는 상기 워크 피스를 상기 연마 헤드에 유지시키기 위한 로드·언로드 장치를 더 구비하고 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 장치는 상기 워크 피스의 둘레 방향에 있어서의 방향을 검출하는 지향 검출기를 더 구비하고 있다.

일 양태에서는, 워크 피스를 연마하는 연마 시스템이며, 상기 연마 장치와, 연마 후에 상기 워크 피스를 세정하는 세정 장치와, 세정 후에 상기 워크 피스를 건조시키는 건조 장치와, 상기 연마 장치, 상기 세정 장치 및 상기 건조 장치 사이에서 상기 워크 피스를 반송하는 반송 기구를 갖는 연마 시스템이 제공된다.

본 발명에 따르면, 복수의 압전 소자는 워크 피스의 다른 부위(영역)를 다른 힘으로 압박할 수 있다. 따라서, 연마 헤드는 워크 피스의 막 두께 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있다.

도 1은 연마 장치의 일 실시 형태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 워크 피스의 막 두께 프로파일의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 워크 피스를 가로지를 때의 막 두께 센서의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 4는 워크 피스의 피연마면 전체의 막 두께 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타내는 연마 헤드를 포함하는 연마 헤드 시스템의 일 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 6은 연마 헤드의 일부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 7은 압박 부재의 배열의 예를 나타내는 모식도이다.
도 8은 압박 부재의 배열의 예를 나타내는 모식도이다.
도 9는 압박 부재의 배열의 예를 나타내는 모식도이다.
도 10은 압박 부재의 배열의 예를 나타내는 모식도이다.
도 11은 압박 부재의 배열의 예를 나타내는 모식도이다.
도 12는 연마 레이트와, 압전 소자에 인가된 전압의 관계를 나타내는 연마 레이트 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 13은 압전 소자에 인가되는 전압과, 압전 소자가 발생하는 압박력의 관계를 나타내는 압박력 상관 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 14는 연마 헤드 시스템의 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 15는 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 16은 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 17은 도 16에 나타내는 제1 압력실이 없어지고, 제1 탄성막의 맞닿음부가 복수의 압박 부재의 압박면에 접촉한 상태를 나타내는 도면이다.
도 18은 짐벌 기구를 구비한 연마 헤드의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 19는 짐벌 기구의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 20은 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 21은 도 20에 나타내는 접촉 부재가 워크 피스에 접촉하는 모습을 나타내는 모식도이다.
도 22는 워크 피스 척 기구 및 척 구동 장치의 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 23은 도 22에 나타내는 워크 피스 척 기구 및 척 구동 장치의 확대 단면도이다.
도 24는 도 22에 나타내는 워크 피스 척 기구 및 척 구동 장치의 확대 단면도이다.
도 25는 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 26은 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 27은 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다.
도 28은 도 27에 나타내는 접촉핀의 확대도이다.
도 29는 연마 장치의 다른 실시 형태를 나타내는 모식도이다.
도 30은 복수의 압력실을 갖는 연마 헤드를 구비한 연마 장치를 나타내는 모식 단면도이다.
도 31은 도 1 내지 도 29를 참조하여 설명한 어느 실시 형태에 따른 연마 헤드를 구비한 연마 장치와, 도 30을 참조하여 설명한 연마 장치를 구비한 워크 피스 연마 시스템을 나타내는 모식도이다.
도 32는 CMP에 사용되는 종래의 연마 헤드를 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 연마 장치의 일 실시 형태를 나타내는 모식도이다. 연마 장치는 웨이퍼, 기판, 패널 등 워크 피스를 화학 기계적으로 연마하는 장치이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 이 연마 장치는, 연마면(2a)을 갖는 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(5)과, 워크 피스(W)를 연마면(2a)에 대하여 압박하는 연마 헤드(7)와, 연마액(예를 들어, 지립을 포함하는 슬러리)을 연마면(2a)에 공급하는 연마액 공급 노즐(8)과, 연마 장치의 동작을 제어하는 동작 제어부(10)를 구비하고 있다. 연마 헤드(7)는 그 하면에 워크 피스(W)를 유지할 수 있도록 구성되어 있다.

동작 제어부(10)는, 프로그램이 저장된 기억 장치(10a)와, 프로그램에 포함되는 명령에 따라서 연산을 실행하는 연산 장치(10b)를 구비하고 있다. 기억 장치(10a)는 RAM 등의 주기억 장치와, 하드디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등의 보조 기억 장치를 구비하고 있다. 연산 장치(10b)의 예로서는, CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 프로세싱 유닛)를 들 수 있다. 단, 동작 제어부(10)의 구체적 구성은 이들 예에 한정되지 않는다.

동작 제어부(10)는 적어도 1대의 컴퓨터로 구성되어 있다. 상기 적어도 1대의 컴퓨터는 1대의 서버 또는 복수대의 서버여도 된다. 동작 제어부(10)는 에지 서버여도 되고, 인터넷 또는 로컬 에어리어 네트워크 등의 통신 네트워크에 접속된 클라우드 서버여도 되고, 혹은 네트워크 내에 설치된 포그 컴퓨팅 디바이스(게이트웨이, 포그 서버, 라우터 등)여도 된다. 동작 제어부(10)는 인터넷 또는 로컬 에어리어 네트워크 등의 통신 네트워크에 의해 접속된 복수의 서버여도 된다. 예를 들어, 동작 제어부(10)는 에지 서버와 클라우드 서버의 조합이어도 된다.

연마 장치는 지지축(14)과, 지지축(14)의 상단에 연결된 연마 헤드 요동암(16)과, 연마 헤드 요동암(16)의 자유 단부에 회전 가능하게 지지된 연마 헤드 샤프트(18)와, 연마 헤드(7)를 그 축심을 중심으로 회전시키는 회전 모터(20)를 더 구비하고 있다. 회전 모터(20)는 연마 헤드 요동암(16)에 고정되어 있고, 벨트 및 풀리 등으로 구성되는 토크 전달 기구(도시하지 않음)를 통해 연마 헤드 샤프트(18)에 연결되어 있다. 연마 헤드(7)는 연마 헤드 샤프트(18)의 하단에 고정되어 있다. 회전 모터(20)는 상기 토크 전달 기구를 통해 연마 헤드 샤프트(18)를 회전시키고, 연마 헤드(7)는 연마 헤드 샤프트(18)와 함께 회전한다. 이와 같이 하여, 연마 헤드(7)는 그 축심을 중심으로 하여 화살표로 나타내는 방향으로 회전 모터(20)에 의해 회전된다.

회전 모터(20)는 연마 헤드(7)의 회전 각도를 검출하는 회전 각도 검출기로서의 로터리 인코더(22)에 연결되어 있다. 이 로터리 인코더(22)는 회전 모터(20)의 회전 각도를 검출하도록 구성되어 있다. 회전 모터(20)의 회전 각도는 연마 헤드(7)의 회전 각도에 일치한다. 따라서, 로터리 인코더(22)에 의해 검출된 회전 모터(20)의 회전 각도는, 연마 헤드(7)의 회전 각도에 상당한다. 로터리 인코더(22)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 로터리 인코더(22)로부터 출력된 회전 모터(20)의 회전 각도 검출값(즉, 연마 헤드(7)의 회전 각도 검출값)은, 동작 제어부(10)에 보내진다.

연마 장치는, 연마 패드(2) 및 연마 테이블(5)을 그들의 축심을 중심으로 회전시키는 회전 모터(21)를 더 구비하고 있다. 회전 모터(21)는 연마 테이블(5)의 하방에 배치되어 있고, 연마 테이블(5)은 회전축(5a)을 통해 회전 모터(21)에 연결되어 있다. 연마 테이블(5) 및 연마 패드(2)는, 회전 모터(21)에 의해 회전축(5a)을 중심으로 화살표로 나타내는 방향으로 회전되도록 되어 있다. 연마 패드(2) 및 연마 테이블(5)의 축심은, 회전축(5a)의 축심에 일치한다. 연마 패드(2)는 연마 테이블(5)의 패드 지지면(5b)에 첩부되어 있다. 연마 패드(2)의 노출면은 웨이퍼 등의 워크 피스(W)를 연마하는 연마면(2a)을 구성하고 있다.

연마 헤드 샤프트(18)는 승강 기구(24)에 의해 연마 헤드 요동암(16)에 대하여 상대적으로 상하 이동 가능하고, 이 연마 헤드 샤프트(18)의 상하 이동에 의해 연마 헤드(7)가 연마 헤드 요동암(16) 및 연마 테이블(5)에 대하여 상대적으로 상하 이동 가능하게 되어 있다. 연마 헤드 샤프트(18)의 상단에는 로터리 커넥터(23) 및 로터리 조인트(25)가 설치되어 있다.

연마 헤드 샤프트(18) 및 연마 헤드(7)를 승강시키는 승강 기구(24)는, 연마 헤드 샤프트(18)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(26)과, 베어링(26)이 고정된 브리지(28)와, 브리지(28)에 설치된 볼 나사 기구(32)와, 지주(30)에 의해 지지된 지지대(29)와, 지지대(29)에 고정된 서보 모터(38)를 구비하고 있다. 서보 모터(38)를 지지하는 지지대(29)는, 지주(30)를 통해 헤드 요동암(16)에 연결되어 있다.

볼 나사 기구(32)는, 서보 모터(38)에 연결된 나사축(32a)과, 이 나사축(32a)이 나사 결합하는 너트(32b)를 구비하고 있다. 너트(32b)는 브리지(28)에 고정되어 있다. 연마 헤드 샤프트(18)는 브리지(28)와 일체가 되어 승강(상하 이동)하게 되어 있다. 따라서, 서보 모터(38)가 볼 나사 기구(32)를 구동하면, 브리지(28)가 상하 이동하고, 이에 의해 연마 헤드 샤프트(18) 및 연마 헤드(7)가 상하 이동한다.

승강 기구(24)는 연마 헤드(7)의 연마 테이블(5)에 대한 상대적인 높이를 조절하기 위한 연마 헤드 위치 결정 기구로서 기능한다. 워크 피스(W)를 연마할 때, 승강 기구(24)는 연마 헤드(7)를 미리 정해진 높이에 위치시키고, 그 높이에 연마 헤드(7)가 유지된 채, 연마 헤드(7)는 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박한다.

연마 장치는, 연마 헤드 요동암(16)을 지지축(14)을 중심으로 선회시키는 암 선회 모터(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 이 암 선회 모터가 연마 헤드 요동암(16)을 선회시키면, 연마 헤드(7)는 연마 테이블(5)의 상방 연마 위치와, 연마 테이블(5)의 외측 로드·언로드 위치 사이를 이동할 수 있다. 연마되는 워크 피스(W)는 로드·언로드 위치에서 로드·언로드 장치(39)에 의해 연마 헤드(7)에 설치되고, 그 후 연마 위치로 이동된다. 연마된 워크 피스(W)는 연마 위치로부터 로드·언로드 위치로 이동되어, 로드·언로드 위치에서 로드·언로드 장치(39)에 의해 연마 헤드(7)로부터 분리된다. 도 1에서는, 로드·언로드 장치(39)는 모식적으로 도시되어 있으며, 로드·언로드 장치(39)의 위치 및 구성은 그의 의도한 목적을 달성 가능한 한 특별히 한정되지 않는다.

연마 장치는, 워크 피스(W)의 둘레 방향에 있어서의 방향을 검출하는 지향 검출기로서의 노치 얼라이너(40)를 구비하고 있다. 또한, 본 도면에서는, 노치 얼라이너(40)는 독립적으로 연마 장치 내에 배치되어 있지만, 로드·언로드 장치(39)와 일체 배치되어 있어도 된다. 노치 얼라이너(40)는 워크 피스(W)의 테두리부에 형성되어 있는 노치(절결)를 검출하기 위한 장치이다. 노치 얼라이너(40)의 구체적인 구성은, 노치를 검출할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 일례에서는, 노치 얼라이너(40)는 워크 피스(W)를 회전시키면서, 레이저광을 워크 피스(W)의 테두리부에 쏘여, 반사된 레이저광을 수광부에 의해 검출하는 광학식 노치 검출기이며, 노치 위치에서 수광한 레이저광의 강도가 변화되는 점에서 노치의 위치를 검출하도록 구성된다. 다른 예에서는, 워크 피스(W)를 회전시키면서, 순수 등의 액체 분류를, 워크 피스(W)의 테두리부에 근접한 노즐로부터 워크 피스(W)의 테두리부에 공급하고, 노즐을 향해 흐르는 액체의 압력 또는 유량을 검출하는 액체식 노치 검출기이며, 노치 위치에서 액체의 압력 또는 유량이 변화되는 점에서 노치의 위치를 검출하도록 구성된다.

노치의 검출, 즉 워크 피스(W)의 둘레 방향에 있어서의 방향의 검출은, 워크 피스(W)의 연마 전에 실행된다. 노치의 검출은, 후술하는 압전 소자의 배치에 대한 워크 피스(W)의 배치 상태를 인식·보정하는 것을 목적으로 하고 있다. 노치의 검출은, 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 유지되기 전에 실행되어도 되고, 또는 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 유지된 상태에서 실행되어도 된다. 예를 들어, 워크 피스(W)를 연마 헤드(7)에 유지하기 전에 노치 검출을 실시하는 경우에는, 로드·언로드 위치에 있어서 워크 피스(W)의 노치 위치를 노치 얼라이너(40)로 검출한다. 그리고, 검출된 노치 위치가 연마 헤드(7)의 특정한 위치가 되게, 연마 헤드(7)를 회전시킨 후, 워크 피스(W)를 로드·언로드 장치에서 연마 헤드(7)의 유지 부재(56)의 워크 피스 접촉면(56a)에 주고 받고, 워크 피스(W)를 연마 헤드(7)에 흡착 등의 방식으로 유지시켜도 된다.

여기서, 노치 얼라이너(40)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있다. 동작 제어부(10)는 워크 피스(W)의 노치의 위치를, 연마 헤드(7)의 회전 각도에 관련짓도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 동작 제어부(10)는 노치 얼라이너(40)에 의해 검출된 노치의 위치를 바탕으로, 연마 헤드(7)의 회전 각도의 기준 위치를 지정하고, 그 회전 각도의 기준 위치를 기억 장치(10a) 내에 기억한다. 또한, 노치 얼라이너(40)에 의해 검출된 노치 위치도 동시에 기억 장치(10a)에 기억하고, 이들 기준 위치와 노치 위치를 비교함으로써, 동작 제어부(10)는 워크 피스(W)의 표면 상의 위치를, 연마 헤드(7)의 회전 각도의 기준 위치에 기초하여 특정할 수 있다.

또한, 예를 들어 연마 헤드(7)를 회전 모터(20)에 의해 어느 각도만큼 회전시켜, 워크 피스(W)의 노치 위치가 연마 헤드(7)의 기준 위치에 대하여 소정 각도가 되게 보정한 후, 워크 피스(W)를 로드·언로드 장치에서 주고받으며, 연마 헤드(7)에 유지시킨다. 여기서, 연마 헤드(7)의 회전 각도의 기준 위치를 후술하는 압전 소자의 배치를 바탕으로 설정해두면, 연마 헤드(7)는, 워크 피스(W)가 압전 소자의 특정 배치에 대응한 상태에서 워크 피스(W)를 유지하는 것이 가능해진다.

워크 피스(W)의 연마는 다음과 같이 하여 행해진다. 워크 피스(W)는 그 피연마면이 아래를 향한 상태에서, 연마 헤드(7)에 유지된다. 연마 헤드(7) 및 연마 테이블(5)을 각각 회전시키면서, 연마 테이블(5)의 상방에 마련된 연마액 공급 노즐(8)로부터 연마액(예를 들어, 지립을 포함하는 슬러리)을 연마 패드(2)의 연마면(2a) 상에 공급한다. 연마 패드(2)는 그 중심축선을 중심으로 연마 테이블(5)과 일체로 회전한다. 연마 헤드(7)는 승강 기구(24)에 의해 소정의 높이까지 이동된다. 또한, 연마 헤드(7)는 상기 소정의 높이로 유지된 채, 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박한다. 워크 피스(W)는 연마 헤드(7)와 일체로 회전한다. 즉, 워크 피스(W)는 연마 헤드(7)와 동일한 속도로 회전한다. 연마액이 연마 패드(2)의 연마면(2a) 상에 존재한 상태에서, 워크 피스(W)는 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 미끄럼 접촉된다. 워크 피스(W)의 표면은 연마액의 화학적 작용과, 연마액에 포함되는 지립 또는 연마 패드(2)의 기계적 작용의 조합에 의해 연마된다.

연마 장치는, 연마면(2a) 상의 워크 피스(W)의 막 두께를 측정하는 막 두께 센서(42)를 구비하고 있다. 막 두께 센서(42)는, 워크 피스(W)의 막 두께를 직접 또는 간접으로 나타내는 막 두께 지표값을 생성하도록 구성되어 있다. 이 막 두께 지표값은 워크 피스(W)의 막 두께를 따라서 변화된다. 막 두께 지표값은 워크 피스(W)의 막 두께 자체를 나타내는 값이어도 되고, 또는 막 두께로 환산되기 전의 물리량 또는 신호값이어도 된다.

막 두께 센서(42)의 예로서는, 와전류 센서, 광학식 막 두께 센서를 들 수 있다. 막 두께 센서(42)는 연마 테이블(5) 내에 설치되어 있고, 연마 테이블(5)과 일체로 회전한다. 보다 구체적으로는, 막 두께 센서(42)는 연마 테이블(5)이 1회전할 때마다, 연마면(2a) 상의 워크 피스(W)를 가로지르면서, 워크 피스(W)의 복수의 측정점에서의 막 두께를 측정하도록 구성되어 있다. 복수의 측정점에서의 막 두께는 막 두께 지표값으로서 막 두께 센서(42)로부터 출력되고, 막 두께 지표값은 동작 제어부(10)에 보내진다. 동작 제어부(10)는 막 두께 지표값에 기초하여 연마 헤드(7)의 동작을 제어하도록 구성되어 있다.

동작 제어부(10)는 막 두께 센서(42)로부터 출력된 막 두께 지표값으로부터, 워크 피스(W)의 막 두께 프로파일을 작성한다. 워크 피스(W)의 막 두께 프로파일은 막 두께 지표값의 분포이다. 도 2는, 워크 피스(W)의 막 두께 프로파일의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에 있어서, 종축은 워크 피스(W)의 막 두께를 직접 또는 간접으로 나타내는 막 두께 지표값을 나타내고, 횡축은 워크 피스(W)의 반경 방향의 위치이다. 막 두께의 측정점은 워크 피스(W)의 반경 방향을 따라서 배열되어 있다. 따라서, 막 두께 센서(42)로부터 출력된 막 두께 지표값은, 워크 피스(W)의 반경 방향을 따라서 분포한다. 도 2에 나타내는 막 두께 프로파일은, 워크 피스(W)의 반경 방향을 따른 막 두께 프로파일이다.

도 3은, 워크 피스(W)를 가로지를 때의 막 두께 센서(42)의 궤적을 나타내는 도면이다. 워크 피스(W)의 연마 중, 연마 테이블(5)과 연마 헤드(7)는 다른 속도로 회전한다. 이러한 조건 하에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 막 두께 센서(42)는 연마 테이블(5)이 1회전할 때마다, 다른 궤적을 그리며 워크 피스(W)를 가로지른다. 보다 구체적으로는, 연마 테이블(5)이 1회전할 때마다, 막 두께 센서(42)의 궤적은 워크 피스(W)의 중심의 둘레를 일정한 각도로 회전한다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 연마 테이블(5)이 복수회 회전하면, 막 두께 센서(42)는 워크 피스(W)의 거의 전체를 주사하고, 워크 피스(W)의 거의 전체에서 막 두께를 측정할 수 있다. 또한, 본 도면에서는 막 두께 센서(42)는 연마 테이블(5) 내에 1개 배치되어 있지만, 막 두께 센서(42)는 연마 테이블(5) 내에 복수개 배치되어 있어도 되고, 그 경우, 보다 상세한 막 두께 프로파일이 얻어진다.

동작 제어부(10)는, 연마 테이블(5)이 복수회 회전하고 있는 동안에 막 두께 센서(42)에 의해 얻어진 막 두께 지표값으로부터, 도 4에 도시한 바와 같은, 워크 피스(W)의 피연마면 전체의 막 두께 프로파일을 작성할 수 있다. 도 4는, XYZ 좌표계 상에 표시된 워크 피스(W)의 피연마면 전체의 막 두께 프로파일을 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, X축은 워크 피스(W)의 피연마면에 평행한 방향을 나타내고, Y축은 워크 피스(W)의 피연마면에 평행하며, 또한 X 방향에 수직인 방향을 나타내고, Z축은 막 두께 지표값을 나타낸다. 워크 피스(W)의 피연마면 상의 위치는 X축 및 Y축 상의 좌표에 의해 표시되고, 워크 피스(W)의 막 두께를 직접 또는 간접으로 나타내는 막 두께 지표값은, Z축 상의 좌표에 의해 표시된다. 동작 제어부(10)에 의해 제작된 워크 피스(W)의 피연마면 전체의 막 두께 프로파일은, 기억 장치(10a) 내에 기억된다.

도 5는, 도 1에 나타내는 연마 헤드(7)를 포함하는 연마 헤드 시스템의 일 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 연마 헤드 시스템은 상술한 연마 헤드(7), 동작 제어부(10) 및 구동 전압 인가 장치(50)를 포함한다. 연마 헤드(7)는, 연마 헤드 샤프트(18)의 하단에 고정된 캐리어(45)와, 캐리어(45)에 유지된 복수의 압전 소자(47)를 구비하고 있다. 연마 헤드(7)는 연마 헤드 샤프트(18)의 하단에 강적(剛的)으로 고정되어 있고, 연마 헤드 샤프트(18)에 대한 연마 헤드(7)의 각도는 고정되어 있다. 복수의 압전 소자(47)는 워크 피스(W)의 이측에 위치하고 있다.

캐리어(45)는, 복수의 압전 소자(47)를 유지하는 하우징(45A)과, 하우징(45A)에 착탈 가능하게 설치된 플랜지(45B)를 갖고 있다. 플랜지(45B)는 도시하지 않은 나사에 의해 하우징(45A)에 고정되어 있다. 도시하지 않지만 메인터넌스용의 덮개를 하우징(45A)에 마련해도 된다. 덮개를 벗기면, 유저는 압전 소자(47)에 액세스하는 것이 가능해진다. 플랜지(45B)의 덮개는, 압전 소자(47)의 교환이나 압전 소자(47)의 위치 조절 등의 메인터넌스가 필요할 때에 벗겨진다.

연마 헤드(7)는 워크 피스(W)에 복수의 압박력을 독립적으로 가할 수 있는 복수의 액추에이터를 구비하고 있다. 액추에이터로서는, 유압 실린더·모터와 같은 유압식 액추에이터, 공기압 모터나 공기압 실린더와 같은 공기압식 액추에이터, 전동 모터와 같은 전기식 액추에이터나 후술하는 압전 소자를 사용한 액추에이터, 자기 변형 소자를 사용한 자기 변형 액추에이터나 리니어 모터와 같은 전자 액추에이터나 소형 피스톤 등을 들 수 있다.

본 실시 형태에서는, 워크 피스(W)에 복수의 압박력을 독립적으로 가할 수 있는 복수의 액추에이터로서, 복수의 압전 소자(47)가 채용되고 있다. 압전 소자(47)는 구동 전압 인가 장치(50)에 전력선(51)을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 압전 소자(47)는 구동원으로서의 구동 전압 인가 장치(50)에 의해 작동된다. 전력선(51)은 로터리 커넥터(23)를 경유하여 연장되어 있다. 구동 전압 인가 장치(50)는 전원부(50a)와, 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 지령값을 전원부(50a)에 보내는 전압 제어부(50b)를 구비하고 있고, 전압을 복수의 압전 소자(47)에 각각 독립적으로 인가하도록 구성되어 있다. 구동 전압 인가 장치(50)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있다. 동작 제어부(10)는 복수의 압전 소자(47)에 각각 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하고, 결정된 복수의 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)의 전압 제어부(50b)에 보내도록 구성되어 있다. 전압 제어부(50b)는 이들 지령값에 따라서, 전원부(50a)에 지령을 내림으로써, 각각의 압전 소자(47)에 소정의 전압을 인가하도록 구성되어 있다. 또한, 전원부(50a)는 직류 전원, 교류 전원, 혹은 전압 패턴을 설정 가능한 프로그래머블 전원 중 어느 것 또는 그의 조합을 포함한다.

연마 헤드(7)는, 복수의 압전 소자(47)에 각각 연결된 복수의 압박 부재(54)와, 복수의 압박 부재(54)를 유지하는 유지 부재(56)와, 복수의 압전 소자(47)가 각각 발생한 복수의 압박력을 측정하는 복수의 압박력 측정 장치(57)를 더 구비하고 있다. 복수의 압박 부재(54) 및 유지 부재(56)는 워크 피스(W)의 이측에 대향하고 있다.

구동 전압 인가 장치(50)가 복수의 압전 소자(47)에 전압을 인가하면, 이들 압전 소자(47)는 압박 부재(54)를 향해 신장된다. 이 압전 소자(47)의 신장은, 압박 부재(54)를 통해 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박하는 압박력을 발생시킨다. 이와 같이, 전압이 인가된 압전 소자(47)는, 복수의 압박력을 독립적으로 워크 피스(W)에 가할 수 있고, 워크 피스(W)의 복수의 부위(영역)를 다른 압박력으로 연마면(2a)에 대하여 압박할 수 있다.

일 실시 형태에서는, 복수의 압박 부재(54)와 유지 부재(56)를 생략하고, 복수의 압전 소자(47)로 직접 워크 피스(W)의 이면을 가압하여, 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박해도 된다.

연마 헤드 시스템은, 연마 헤드(7)가 워크 피스(W)를 진공 흡인에 의해 유지하는 것을 가능하게 하는 진공 라인(60)을 더 구비하고 있다. 이 진공 라인(60)은 로터리 조인트(25)를 경유하여 연장되고, 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(56a)에 연통되어 있다. 보다 구체적으로는, 진공 라인(60)의 일단부는 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(56a)에서 개구되고, 진공 라인(60)의 타단부는 진공 펌프 등의 진공원(62)에 연결되어 있다. 진공 라인(60)에는 진공 밸브(61)가 설치되어 있다. 진공 밸브(61)는 액추에이터 구동형 개폐 밸브(예를 들어 전동 밸브, 전자 밸브, 에어 오퍼레이트 밸브)이며, 동작 제어부(10)에 접속되어 있다. 진공 밸브(61)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 동작 제어부(10)가 진공 밸브(61)를 개방하면, 진공 라인(60)은 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(56a)에 진공을 형성하고, 이에 의해 연마 헤드(7)는 진공 흡인에 의해 워크 피스(W)를 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(56a)에 유지할 수 있다.

일 실시 형태에서는, 워크 피스(W)의 연마 중에, 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 상대적으로 회전해버리는 것을 방지하기 위해서(즉, 워크 피스(W)의 연마 헤드(7)에 대한 상대 위치를 고정하기 위해서), 진공 라인(60)에 의해 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(56a)에 진공을 형성하고, 워크 피스(W)를 진공 흡인에 의해 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(56a)에 유지해도 된다. 또한, 본 도면에서는, 진공 라인(60)은 워크 피스(W)의 중앙에 1개 배치되어 있지만, 워크 피스 접촉면(56a) 내의 복수 개소에 개구하는 복수의 진공 라인(60)을 마련해도 된다.

연마 헤드(7)는 복수의 압전 소자(47)의 외측에 배치된 리테이너 링(65)을 더 구비하고 있다. 리테이너 링(65)은 캐리어(45)에 유지되어 있다. 리테이너 링(65)은 워크 피스(W) 및 압박 부재(54)를 둘러싸도록 배치되어 있고, 연마 중에 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)로부터 튀어나오는 것을 방지하고 있다. 본 실시 형태에서는, 리테이너 링(65)은 캐리어(45)에 고정되어 있지만, 일 실시 형태에서는, 리테이너 링(65)과 캐리어(45) 사이에 에어백 등의 액추에이터를 배치하고, 리테이너 링(65)은 캐리어(45)에 대하여 상대적으로 이동 가능하도록 캐리어(45)에 유지되어도 된다.

도 6은, 연마 헤드(7)의 일부를 나타내는 확대 단면도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 캐리어(45)의 하우징(45A)은 복수의 단차 구멍(66)을 갖고 있으며, 복수의 압전 소자(47)는 이들 단차 구멍(66)에 각각 수용되어 있다. 각 압전 소자(47)는 스토퍼 돌기(47a)를 갖고 있다. 스토퍼 돌기(47a)가 단차 구멍(66)의 단차부(66a)에 접촉함으로써, 압전 소자(47)의 캐리어(45)에 대한 상대적인 위치 결정이 달성된다.

본 실시 형태에서는, 각 압박력 측정 장치(57)는 압전 소자(47) 및 압박 부재(54)와 직렬로 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 각 압박력 측정 장치(57)는 압전 소자(47)와 압박 부재(54) 사이에 배치되어 있다. 이렇게 배치된 압박력 측정 장치(57)는 압전 소자(47)가 각각 발생한 복수의 압박력을 따로따로 측정할 수 있다. 압박력 측정 장치(57)의 배치는 도 6에 나타내는 실시 형태에 한정되지 않는다. 압전 소자(47)가 각각 발생한 복수의 압박력을 따로따로 측정할 수 있는 한, 압박력 측정 장치(57)는 워크 피스(W)와 압박 부재(54) 사이에 배치되어도 되고, 혹은 압박 부재(54)의 횡으로 배치되어도 된다.

압박력 측정 장치(57)는 측정한 압박력[N]을 압력[Pa]으로 환산하도록 구성되어도 된다. 압박력 측정 장치(57)의 예로서, 복수의 압전 소자(47)에 연결된 로드셀, 압전 시트를 들 수 있다. 압전 시트는 복수의 압전 센서를 갖고 있으며, 이들 압전 시트에 가해진 힘에 따른 전압을 발생하고, 전압의 값을 힘 또는 압력으로 변환하도록 구성되어 있다.

복수의 압박 부재(54)의 단부면은, 워크 피스(W)를 연마면(2a)에 대하여 압박하기 위한 압박면(54a)을 구성한다. 유지 부재(56)는 복수의 압박 부재(54)를 한정된 범위 내에서 이동 가능하게 이들 압박 부재(54)를 유지하고 있다. 보다 구체적으로는, 각 압박 부재(54)는 그 상단 및 하단에 위치하는 돌출부(54b, 54c)와, 이들 돌출부(54b, 54c) 사이에 위치하는 동체부(54d)를 갖고 있다. 동체부(54d)의 폭은 돌출부(54b, 54c)의 폭보다도 작다. 유지 부재(56)는 동체부(54d)와 일정한 클리어런스를 갖고, 압박 부재(54)를 이동 가능하게 지지하는 지지부(56b)를 갖고 있다. 각 압박 부재(54)의 돌출부(54b, 54c)와 유지 부재(56)의 지지부(56b)는, 압박 부재(54)가 상하 방향 및 수평 방향으로 이동하는 범위를 클리어런스에 의해 제한하면서, 각 압박 부재(54)가 상하 방향으로 이동하는 것을 허용한다. 유지 부재(56)의 지지부(56b)는 압박 부재(54)의, 워크 피스(W)의 압박 방향과 수직인 방향의 이동 범위를 제한한다. 압박 부재(54)의 상하 방향 이동이 제한되어 있으므로, 압박 부재(54)는 과도한 충격 또는 힘이 압전 소자(47)에 전해지는 것을 방지할 수 있다.

압전 소자(47)에 전압이 인가되면, 압전 소자(47)는 압박력 측정 장치(57) 및 압박 부재(54)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)을 향하여 누르고, 압박 부재(54)는 워크 피스(W)가 대응하는 부위(영역)를, 압전 소자(47)에 인가된 전압에 따른 압박력으로, 연마면(2a)에 대하여 압박한다.

본 실시 형태에서는, 복수의 압박 부재(54)의 압박면(54a)은 워크 피스(W)의 이측에 접촉되어 있다. 압박면(54a)은 워크 피스(W)에 접촉하는 워크 피스 접촉면을 구성한다. 압박면(54a)은 실리콘 고무 등의 탄성 부재로 구성되어도 된다. 압박면(54a)의 형상의 구체예로서는, 정다각형, 원형, 부채형, 원호 형상, 타원형 및 그들 형상의 조합을 들 수 있다. 압박면(54a)의 중심으로부터 각 정점까지의 거리가 동등한 정다각형의 예로서는, 정삼각형, 정사각형, 정육각형을 들 수 있다.

복수의 압박 부재(54)는 복수의 압전 소자(47)에 각각 대향하는 복수의 제1 면(54e)과, 워크 피스(W)를 연마면(2a)에 대하여 압박하기 위한 제2 면으로서의 복수의 압박면(54a)을 갖는다. 본 실시 형태에서는, 각 압박 부재(54)의 압박면(54a)의 면적은 제1 면(54e)의 면적과 동일하지만, 일 실시 형태에서는 각 압박 부재(54)의 압박면(54a)의 면적은 제1 면(54e)의 면적보다도 커도 된다. 압박면(54a)의 형상 및 면적을 변화시킴으로써, 각종 압박면(54a)의 패턴이 가능해진다.

도 7 내지 도 11은, 압박 부재(54)의 배열의 예를 나타내는 모식도이다. 도 7에 나타내는 예에서는, 복수의 압박 부재(54)는 하니컴상 또는 지그재그상으로 배열되어 있고, 각 압박 부재(54)의 압박면(54a)은 정육각형이다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 하니컴 배열을 구성하는 정육각형의 압박면(54a)은 인접하는 압박면(54a)간의 간극을 최소할 수 있다. 또한, 정육각형은 정삼각형 및 정사각형에 비해, 각 정점의 각도가 크고, 응력 집중이 발생하기 어렵다는 이점도 있다.

도 8에 나타내는 예에서는, 복수의 압박 부재(54)는 격자상으로 배열되어 있고, 각 압박 부재(54)의 압박면(54a)은 원형이다. 도 9에 나타내는 예에서는, 복수의 압박 부재(54)는 동심원상으로 배열되어 있고, 각 압박 부재(54)의 압박면(54a)은 원형이다. 도 10에 나타내는 예에서는, 복수의 압박 부재(54)는 동심원상으로 배열되어 있고, 압박 부재(54)의 압박면(54a)은 부채형이며, 중심의 압박 부재(54)의 압박면(54a)은 원형이다. 도 11에 나타내는 예에서는, 복수의 압박 부재(54)는 동심원상으로 배열되어 있고, 압박 부재(54)의 압박면(54a)은 원형과 부채형이다. 보다 구체적으로는, 최외주에 위치하는 압박 부재(54)는 부채형의 압박면(54a)을 갖고 있으며, 부채형의 압박면(54a)의 내측에 위치하는 압박 부재(54)는 원형의 압박면(54a)을 갖는다.

도 7 내지 도 11에 나타내는 각 압박 부재(54)는 각 압전 소자(47)에 연결되어 있다. 따라서, 도 7 내지 도 11에 나타내는 압박 부재(54)의 배열은, 압전 소자(47)의 배열과 실질적으로 동일하다. 복수의 압전 소자(47) 및 복수의 압박 부재(54)는 연마 헤드(7)의 직경 방향 및 둘레 방향을 따라서 분포하고 있다. 따라서, 연마 헤드 시스템은 워크 피스(W)의 막 두께 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있다. 특히, 연마 헤드 시스템은 워크 피스(W)의 둘레 방향으로 변동되는 막 두께를 해소할 수 있다. 압전 소자(47)의 배열은 격자상, 동심원상, 지그재그상 배치 중 어느 하나 또는 그의 조합이어도 된다.

일 실시 형태에서는, 각 압박 부재(54)의 제1 면(54e)의 면적은 압박면(54a)의 면적보다도 커도 된다. 이 경우에는, 각 압박 부재(54)에 복수의 동체부(54d)를 마련해도 된다. 또한, 하나의 압박 부재(54)는 적어도 2개의 압전 소자(47)에 연결되어도 된다. 일례에서는, 연마 헤드(7)에 마련된 복수의 압박 부재(54) 중 적어도 하나는, 2개 또는 그보다도 많은 압전 소자(47)에 연결되어도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 하나의 압박면(54a)에 대하여 복수의 압전 소자(47)에서의 압박이 가능해지고, 압박면(54a) 내의 압박력의 균일성이 향상된다.

동작 제어부(10)는, 워크 피스(W)의 현재의 막 두께 프로파일과 목표 막 두께 프로파일의 차를 없애기 위해 필요한 전압의 복수의 지령값을 결정하도록 구성되어 있다. 워크 피스(W)의 목표 막 두께 프로파일은 동작 제어부(10)의 기억 장치(10a) 내에 미리 저장되어 있다. 워크 피스(W)의 현재의 막 두께 프로파일의 예로서는, 도 1에 나타내는 연마 장치에서 연마되기 전의 워크 피스(W)의 초기 막 두께 프로파일, 및 도 1에 나타내는 연마 장치에서 워크 피스(W)를 연마하고 있을 때에 막 두께 센서(42)로부터 출력된 막 두께 지표값으로부터 작성된 막 두께 프로파일을 들 수 있다. 초기 막 두께 프로파일은, 예를 들어 도시하지 않은 스탠드 얼론형의 막 두께 측정 장치에 의해 취득된 막 두께 측정값, 또는 막 두께 센서를 구비한 다른 연마 장치에 의해 취득된 막 두께 측정값으로부터 작성된다. 초기 막 두께 프로파일은 동작 제어부(10)의 기억 장치(10a) 내에 저장된다.

동작 제어부(10)는 연산 장치(10b)에 의해 워크 피스(W)의 현재의 막 두께 프로파일과 목표 막 두께 프로파일의 차를 산정하고, 워크 피스(W)의 피연마면에서의 목표 연마량의 분포를 제작한다. 또한, 동작 제어부(10)는 제작된 목표 연마량의 분포에 기초하여, 소정의 연마 시간 내에 목표 연마량을 달성하기 위해 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 지령값을 결정한다. 예를 들어, 동작 제어부(10)는 목표 연마량의 분포와 상기 소정의 연마 시간으로부터, 목표 연마 레이트의 분포를 작성하고, 목표 연마 레이트를 달성할 수 있는 전압의 지령값을 연마 레이트 상관 데이터로부터 결정한다.

전압의 지령값을 결정 후, 동작 제어부(10)는 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)의 전압 제어부(50b)에 보내고, 전압 제어부(50b)로부터 전원부(50a)에 각 전압 소자(47)에 인가하는 전압의 변경 지령을 행함으로써, 워크 피스(W)의 막 두께 프로파일의 조정을 행한다. 또한, 연마 중에 있어서는, 예를 들어 일정 시간마다, 혹은 연마 테이블(5)에 1회전 주기마다, 막 두께 프로파일의 조정을 행한다.

도 12는, 연마 레이트와 압전 소자(47)에 인가된 전압의 관계를 나타내는 데이터의 일례를 나타내는 그래프이며, 도 13은 압전 소자(47)에 인가된 전압과 압박력의 관계를 나타내는 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다. 연마 레이트는 연마에 의해 제거되는 단위 시간당 막의 양이다. 연마에 의해 제거되는 막의 양은, 연마에 의해 감소되는 막의 두께로 표시된다. 연마 레이트는 제거 레이트라고도 한다. 도 12에 나타내는 연마 레이트 상관 데이터는, 다른 워크 피스의 연마 결과로부터 얻어진 연마 레이트와, 상기 기타 워크 피스를 연마하고 있을 때에 압전 소자(47)에 인가된 전압을 포함하는 데이터베이스로부터 작성된다. 연마 레이트 상관 데이터는 기억 장치(10a) 내에 미리 저장되어 있다.

일반적으로, 압전 소자는 인가 전압에 대한 변위량 및 압박력은 히스테리시스의 특성을 갖는다. 여기서, 연마 레이트는 압박력에 비례하는 점에서, 연마 레이트도 전압에 대하여 히스테리시스의 특성을 갖는다. 따라서, 원하는 연마 레이트를 얻기 위해서, 연마 중에 있어서 인가 전압을 변경하는 경우에는, 전압을 증가시킬지 혹은 감소시킬지 어느 방향으로 변경할지도 전압 지령값의 결정을 위한 파라미터의 하나가 된다.

일 실시 형태에서는, 동작 제어부(10)는 목표 연마량의 분포를 작성하지 않고, 막 두께 센서(42)에 의해 얻어진 워크 피스(W)의 현재의 막 두께 프로파일에 기초하여, 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 지령값을 결정해도 된다. 예를 들어, 목표 막 두께 프로파일이 평탄한 막 두께 프로파일인 경우, 동작 제어부(10)는 현재의 막 두께 프로파일을 평탄한 막 두께 프로파일에 근접시키기 위해서, 막 두께 지표값이 큰 영역에 대응하는 압전 소자(47)에는, 현재 인가하고 있는 전압보다도 소정의 변경량만큼 높은 전압을 인가하고, 반대로 막 두께 지표값이 작은 영역에 대응하는 다른 압전 소자(47)에는, 현재 인가하고 있는 전압보다도 소정의 변경량만큼 낮은 전압을 인가하는 전압의 지령값을 결정한다. 또한, 전압의 변경량은 파라미터로서 미리 동작 제어부(10)에 설정된다.

압전 소자(47)는 워크 피스(W)의 직경 방향뿐만 아니라, 둘레 방향으로도 배열되어 있다. 동작 제어부(10)는 워크 피스(W)의 둘레 방향에 있어서의 막 두께의 변동을 해소하기 위해 필요한 전압의 지령값을 결정하고, 이 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)에 보낸다. 구동 전압 인가 장치(50)는 대응하는 압전 소자(47)에 전압을 인가하고, 이에 의해 워크 피스(W)의 둘레 방향에 있어서의 막 두께의 변동을 해소할 수 있다. 이와 같이 하여, 상기 실시 형태에 따른 연마 헤드 시스템을 구비한 연마 장치는, 워크 피스(W)의 둘레 방향에 있어서의 막 두께의 변동을 해소하고, 나아가 목표 막 두께 프로파일을 달성할 수 있다.

이어서, 복수의 압전 소자(47)의 캘리브레이션에 대하여 설명한다. 압전 소자(47)의 캘리브레이션은, 압전 소자(47)에 인가되는 전압과, 압전 소자(47)에 의해 발생되는 압박력의 관계를 조절하는 공정이다. 이 캘리브레이션은 압전 소자(47)의 변형 히스테리시스, 및/또는 압전 소자(47)의 설치 높이의 약간의 차이에서 기인하는 압박력의 차를 해소할 것을 목적으로 하여 행해진다.

캘리브레이션은 다음과 같이 하여 실시된다. 먼저, 모든 압전 소자(47)에 전압을 인가하지 않은 상태에서, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)(도 1 참조)에 지령을 발하여, 워크 피스(W)(또는 더미 워크 피스)를 유지한 연마 헤드(7)를 연마 테이블(5)을 향해 이동시키고, 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 접촉시킨다. 연마 헤드(7)가 연마 테이블(5)을 향해 이동하고 있는 동안에, 압박력 측정 장치(57)는 압박 부재(54)를 통해 압전 소자(47)에 가해지는 연마 패드(2)로부터의 반력을 측정한다. 승강 기구(24)는 모든 압전 소자(47)에 연결된 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출할 때까지, 연마 헤드(7)의 이동을 계속시킨다.

동작 제어부(10)는, 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출하였을 때의 연마 헤드(7)의 높이인 기준 높이를 결정한다. 기준 높이는, 예를 들어 모든 압박력 측정 장치(57)가 최초에 압박력을 감지한 높이이다. 연마 헤드(7)의 높이는 연마 테이블(5)에 대한 연마 헤드(7)의 상대적인 높이이다. 동작 제어부(10)는 볼 나사 기구(32)의 피치와, 서보 모터(38)의 회전 횟수로부터 연마 헤드(7)의 높이를 산정할 수 있다. 연마 헤드(7)의 기준 높이는 기억 장치(10a) 내에 기억된다. 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출하였을 때, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)에 지령을 발하여 연마 헤드(7)의 연마 테이블(5)을 향하는 방향으로의 이동을 정지시킨다. 또한, 동작 제어부(10)는 연마 헤드(7)의 이동을 정지하였을 때에 모든 압박력 측정 장치(57)로부터 출력된 반력의 측정값을 기억 장치(10a)에 기억한다.

연마 패드(2)의 연마면(2a)의 높이의 변동의 영향을 배제하기 위해서, 상술한 연마 헤드(7)의 기준 높이의 결정 및 반력의 측정을 연마면(2a) 상의 다른 영역에서 복수회 실시해도 된다. 이 경우에는, 연마면(2a) 상의 다른 영역에서 얻어진 복수의 기준 높이의 평균 및 반력의 복수의 측정값의 평균을, 연마 헤드(7)의 기준 높이 및 반력의 측정값으로 할 수 있다.

동작 제어부(10)는 기준 높이에 있어서의 압박력 측정 장치(57)에서 측정한 각 압전 소자(47)에 걸리는 반력의 분포에 기초하여, 전압 보정값을 압박력 상관 데이터로부터 결정한다. 전압 보정값은 복수의 압전 소자(47)에 각각 대응하는 캘리브레이션 전압이다. 전압 보정값은 기억 장치(10a) 내에 기억된다. 도 13에 나타내는 압박력 상관 데이터는, 다른 워크 피스의 연마 중에 얻어진 압박력의 측정값과, 상기 기타 워크 피스를 연마하고 있을 때에 압전 소자(47)에 인가된 전압을 포함하는 데이터베이스로부터 작성된다. 압박력 상관 데이터는 기억 장치(10a) 내에 미리 저장되어 있다.

워크 피스(W)를 연마할 때, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)에 지령을 발하여 연마 헤드(7)를 상기 기준 높이에 위치시킨다. 동작 제어부(10)는 각각의 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 가지령값을 결정하고, 이들 지령값을, 대응하는 전압 보정값을 사용하여 보정함으로써 지령값을 결정하고, 이 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)의 전압 제어부(50b)에 송신한다. 전압 제어부(50b)는 지령값에 따라서, 대응하는 압전 소자(47)에 전압을 인가하도록 전원부(50a)에 지시를 내리고, 전원부(50a)는 전압을 압전 소자(47)에 인가한다.

다른 예에서는, 캘리브레이션은 다음과 같이 하여 실시해도 된다. 먼저, 모든 압전 소자(47)에 소정의 전압값을 인가한 상태에서, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)(도 1 참조)에 지령을 발하여, 워크 피스(W)(또는 더미 워크 피스)를 유지한 연마 헤드(7)를 연마 테이블(5)을 향해 이동시키고, 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 접촉시킨다. 연마 헤드(7)가 연마 테이블(5)을 향해 이동하고 있는 동안에, 압박력 측정 장치(57)는 압박 부재(54)를 통해 압전 소자(47)에 가해지는 연마 패드(2)로부터의 반력을 측정한다. 승강 기구(24)는, 모든 압전 소자(47)에 연결된 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출할 때까지, 연마 헤드(7)의 이동을 계속시킨다.

동작 제어부(10)는, 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출하였을 때의 연마 헤드(7)의 높이인 기준 높이를 결정한다. 연마 헤드(7)의 기준 높이는 기억 장치(10a) 내에 기억된다. 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출하였을 때, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)에 지령을 발하여 연마 헤드(7)의 연마 테이블(5)을 향하는 방향으로의 이동을 정지시킨다.

동작 제어부(10)는 연산 장치(10b)에서, 연마 헤드(7)의 이동을 정지하였을 때에 압박력 측정 장치(57)로부터 출력된 반력의 측정값의 평균값 또는 중앙값을 결정한다. 연마 헤드(7)를 기준 높이로 유지한 채, 모든 압박력 측정 장치(57)로부터 출력되는 측정값이 상기 평균값 또는 중앙값에 도달할 때까지, 동작 제어부(10)는 구동 전압 인가 장치(50)에 지령을 발하여 압전 소자(47)에 인가하는 전압을 조정한다. 동작 제어부(10)는, 모든 압박력 측정 장치(57)로부터 출력되는 측정값이 상기 평균값 또는 중앙값에 달하였을 때에 각각의 압전 소자(47)에 인가된 전압을 결정하고, 당해 결정된 전압을 전압 보정값으로서 기억 장치(10a)에 기억한다.

연마 패드(2)의 연마면(2a)의 높이의 변동의 영향을 배제하기 위해서, 상술한 연마 헤드(7)의 기준 높이의 결정 및 전압 보정값의 결정을 연마면(2a) 상의 다른 영역에서 복수회 실시해도 된다. 이 경우에는, 연마면(2a) 상의 다른 영역에서 얻어진 복수의 기준 높이의 평균 및 복수의 전압 보정값의 평균을, 연마 헤드(7)의 기준 높이 및 전압 보정값으로 할 수 있다.

워크 피스(W)를 연마할 때, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)에 지령을 발하여 연마 헤드(7)를 상기 기준 높이에 위치시킨다. 동작 제어부(10)는 각각의 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 가지령값을 결정하고, 이들 지령값을, 대응하는 전압 보정값을 사용하여 보정함으로써, 지령값을 결정하고, 이 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)의 전압 제어부(50b)에 송신한다. 전압 제어부(50b)는 지령값에 따라서, 대응하는 압전 소자(47)에 전압을 인가하도록 전원부(50a)에 지시를 내리고, 전원부(50a)는 전압을 압전 소자(47)에 인가한다.

일 실시 형태에서는, 연마 헤드(7)의 기준 높이를 다음과 같이 하여 구한 후, 압전 소자(47)의 캘리브레이션은 실시하지 않고 연마를 개시해도 된다. 먼저, 모든 압전 소자(47)에 전압을 인가하지 않은 상태에서, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)(도 1 참조)에 지령을 발하여, 워크 피스(W)(또는 더미 워크 피스)를 유지한 연마 헤드(7)를 연마 테이블(5)을 향해 이동시키고, 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 접촉시킨다. 연마 헤드(7)가 연마 테이블(5)을 향해 이동하고 있는 동안에, 압박력 측정 장치(57)는 압박 부재(54)를 통하여 압전 소자(47)에 가해지는 연마 패드(2)로부터의 반력을 측정한다. 승강 기구(24)는, 모든 압전 소자(47)에 연결된 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출할 때까지, 연마 헤드(7)의 이동을 계속시킨다.

동작 제어부(10)는, 모든 압박력 측정 장치(57)가 연마 패드(2)로부터의 반력을 검출하였을 때의 연마 헤드(7)의 높이인 기준 높이를 결정한다. 연마 헤드(7)의 기준 높이는 기억 장치(10a) 내에 기억된다. 연마 패드(2)의 연마면(2a)의 높이의 변동의 영향을 배제하기 위해서, 상술한 연마 헤드(7)의 기준 높이의 결정을 연마면(2a) 상의 다른 영역에서 복수회 실시해도 된다. 이 경우에는, 연마면(2a) 상의 다른 영역에서 얻어진 복수의 기준 높이의 평균을, 연마 헤드(7)의 기준 높이로 할 수 있다.

워크 피스(W)를 연마할 때, 동작 제어부(10)는 승강 기구(24)에 지령을 발하여 연마 헤드(7)를 상기 기준 높이에 위치시킨다. 동작 제어부(10)는 막 두께 센서(42)(도 1 참조)로부터 출력된 막 두께 지표값으로부터, 도 4에 도시한 바와 같은 막 두께 프로파일을 작성하고, 이 막 두께 프로파일에 기초하여, 각각의 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 지령값을 결정하고, 이 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)의 전압 제어부(50b)에 송신한다. 전압 제어부(50b)는 지령값에 따라서, 대응하는 압전 소자(47)에 전압을 인가하도록 전원부(50a)에 지시를 내리고, 전원부(50a)는 전압을 압전 소자(47)에 인가한다.

상술한 각 예에 있어서, 연마 패드(2)로부터의 반력의 측정은, 압박력 측정 장치(57) 대신에 압전 소자(47)에 의해 실행되어도 된다. 압전 소자(47)는 워크 피스(W)를 연마 패드(2)에 압박하기 위한 액추에이터로서 기능하는 한편으로, 압전 소자(47)에 가해진 힘을 측정하는 장치로서도 기능한다. 이 경우에는, 구동 전압 인가 장치(50)는 전압 인가 회로와 센싱 회로의 양쪽을 갖는다. 압박력 측정 장치(57)는 생략해도 된다.

도 14는, 연마 헤드 시스템의 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 13을 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다. 도 14에 나타내는 실시 형태의 연마 헤드(7)는 압박 부재(54)의 압박면(54a)에 접하는 탄성막(67)을 갖고 있다. 탄성막(67)은 모든 압박 부재(54)의 압박면(54a) 및 유지 부재(56)의 단부면(본 실시 형태에서는 하면)을 덮고 있다. 탄성막(67)의 내면은 압박 부재(54)에 접촉하고, 탄성막(67)의 외면은 워크 피스(W)에 접촉하는 워크 피스 접촉면(67a)을 구성한다. 진공 라인(60)은 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(67a)에 연통되어 있다. 보다 구체적으로는, 진공 라인(60)은 워크 피스 접촉면(67a)을 구성하는 탄성막(67)에 형성된 통과 구멍(69)에 연통되어 있다. 진공 라인(60)이 통과 구멍(69) 내에 진공을 형성하면, 워크 피스(W)는 진공 흡인에 의해 탄성막(67)에 유지된다(즉, 연마 헤드(7)에 유지된다).

탄성막(67)은 실리콘 고무나 EPDM 등의 유연 또한 내약품성이 높은 재료로 구성되어 있다. 탄성막(67)은 압박 부재(54)의 압박면(54a)이나 유지 부재(56)에 대하여 워크 피스(W)의 이면이 직접 접촉하는 것에 의한 대미지의 억제나, 연마 헤드(7)의 회전 시에 워크 피스(W)에의 회전 토크의 전달을 보다 효율적으로 행하는 역할이 있다. 탄성막(67)은 영률로서는 10MPa 이하, 두께는 10mm 이하인 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 따르면, 압박 부재(54)는 워크 피스(W)에는 직접 접촉하지 않고, 압박 부재(54)는 탄성막(67)을 통해 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박한다. 탄성막(67)은 연마액이나 세정액 등의 액체가 연마 헤드(7)의 내부에 침입하는 것을 방지하고, 특히 액체가 압전 소자(47)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 탄성막(67)은 워크 피스(W)의 연마 중에, 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 상대적으로 회전하는 것을 방지할 수 있다. 만일 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 상대적으로 회전해버리면, 워크 피스(W)의 둘레 방향의 위치와, 연마 헤드(7)의 압전 소자(47)의 위치 관계가 변화되어버린다. 결과적으로, 의도했던 압전 소자(47)에 최적인 전압을 인가할 수 없어, 워크 피스(W)의 둘레 방향을 따른 막 두께의 변동을 해소할 수 없다. 본 실시 형태에 따르면, 탄성막(67)은 워크 피스(W)의 연마 중에 해당 워크 피스(W)의 이측에 밀접하고, 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 상대적으로 회전하는 것을 방지할 수 있다.

도 15에 도시한 바와 같이, 복수의 압박 부재(54)의 압박면(54a)과 탄성막(67) 사이에 플레이트(70)를 배치해도 된다. 플레이트(70)는 스테인리스강 등의 금속 또는 경질의 수지 등 경질의 재료로 구성된다. 진공 라인(60)은 플레이트(70)를 관통하여 연장되고, 통과 구멍(69)에 연통되어 있다. 플레이트(70)는 복수의 압전 소자(47)에 의해 발생된 압박력을 분산시키고, 직선적으로 변화되는 압박력을 워크 피스(W)에 가할 수 있다. 또한, 본 도면에서는 플레이트(70)는 연마 헤드(7) 내의 압전 소자(47)에 대하여 1매 배치되어 있지만, 플레이트(70)는 복수로 분할되어 있어도 된다.

도 16은, 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다. 도 16에 나타내는 실시 형태의 연마 헤드 시스템은, 연마 헤드(7) 내에 제1 압력실(74)을 형성하기 위한 제1 탄성막(75)과, 제1 압력실(74)에 연통하는 제1 압축 기체 공급 라인(77)과, 연마 헤드(7) 내에 제2 압력실(80)을 형성하기 위한 제2 탄성막(81)과, 제2 압력실(80)에 연통하는 제2 압축 기체 공급 라인(83)을 더 구비하고 있다. 제1 탄성막(75)은, 모든 압박 부재(54)의 압박면(54a) 및 유지 부재(56)의 단부면(본 실시 형태에서는 하면)(56a)을 덮는 맞닿음부(75A)와, 맞닿음부(75A)의 테두리에 접속된 측벽(75B)을 갖고 있다. 측벽(75B)은 유지 부재(56)에 유지되어 있다. 일 실시 형태에서는, 측벽(75B)은 캐리어(45)에 유지되어도 된다.

제1 압력실(74)은 복수의 압박 부재(54)와 제1 탄성막(75) 사이에 위치하고 있다. 맞닿음부(75A)의 내면은 제1 압력실(74)을 형성하고, 맞닿음부(75A)의 외면은 워크 피스(W)에 접촉하는 워크 피스 접촉면(75c)을 구성한다. 진공 라인(60)은 연마 헤드(7)의 워크 피스 접촉면(75c)에 연통되어 있다. 보다 구체적으로는, 진공 라인(60)은 워크 피스 접촉면(75c)을 구성하는 맞닿음부(75A)에 형성된 통과 구멍(69)에 연통되어 있다. 진공 라인(60)이 통과 구멍(69) 내에 진공을 형성하면, 워크 피스(W)는 진공 흡인에 의해 탄성막의 맞닿음부(75A)에 유지된다(즉, 연마 헤드(7)에 유지된다).

제2 압력실(80)은 캐리어(45)와 리테이너 링(65) 사이에 형성된다. 제2 압력실(80)을 형성하는 제2 탄성막(81)은, 캐리어(45)와 리테이너 링(65)의 양쪽에 접속되어 있다. 제2 탄성막(81)은 리테이너 링(65)의 전체 둘레를 따라서 연장되는 환상의 형상을 갖고 있다. 제2 탄성막(81)은 복수의 압전 소자(47)를 둘러싸도록 배치되어 있다. 제1 탄성막(75) 및 제2 탄성막(81)은 모두 실리콘 고무나 EPDM 등의 유연 또한 내약품성이 높은 재료로 구성되어 있다.

연마 헤드 시스템은, 제1 압축 기체 공급 라인(77)에 설치된 제1 압력 레귤레이터(85) 및 제1 개폐 밸브(86)와, 제2 압축 기체 공급 라인(83)에 설치된 제2 압력 레귤레이터(88) 및 제2 개폐 밸브(89)를 구비하고 있다. 제1 개폐 밸브(86)는 전동 밸브, 전자 밸브, 에어 오퍼레이트 밸브 등의 액추에이터 구동형 개폐 밸브이다. 제1 개폐 밸브(86)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 제1 개폐 밸브(86)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 마찬가지로, 제2 개폐 밸브(89)는 전동 밸브, 전자 밸브, 에어 오퍼레이트 밸브 등의 액추에이터 구동형 개폐 밸브이다. 제2 개폐 밸브(89)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 제2 개폐 밸브(89)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다.

제1 압축 기체 공급 라인(77)은 캐리어(45) 및 유지 부재(56)를 관통하고, 제1 압축 기체 공급 라인(77)의 일단부는 유지 부재(56)의 단부면(본 실시 형태에서는 하면)(56a)에서 개구되어 있다. 제1 압축 기체 공급 라인(77)은 로터리 조인트(25), 제1 압력 레귤레이터(85) 및 제1 개폐 밸브(86)를 통해 연장된다. 제1 압축 기체 공급 라인(77)의 타단부는 압축 기체 공급원(90)에 접속되어 있다. 제2 압축 기체 공급 라인(83)은 로터리 조인트(25), 제2 압력 레귤레이터(88) 및 제2 개폐 밸브(89)를 통해 연장된다. 제2 압축 기체 공급 라인(83)의 일단부는 제2 압력실(80)에 접속되고, 제2 압축 기체 공급 라인(83)의 타단부는 압축 기체 공급원(90)에 접속되어 있다.

압축 기체 공급원(90)은, 공기, 불활성 가스(예를 들어 질소 가스) 등을 포함하는 압축 기체를 제1 압축 기체 공급 라인(77) 및 제2 압축 기체 공급 라인(83)에 공급한다. 압축 기체 공급원(90)은, 연마 장치가 배치되어 있는 공장에 설치된 유틸리티 설비로서의 압축 기체 공급원이어도 되고, 혹은 압축 기체를 보내는 펌프여도 된다. 동작 제어부(10)가 제1 개폐 밸브(86)를 개방하면, 압축 기체가 제1 압축 기체 공급 라인(77)을 통해 연마 헤드(7) 내에 공급된다. 그 결과, 제1 탄성막(75)의 측벽(75B)이 연장되어 제1 압력실(74)이 압박 부재(54)와 제1 탄성막(75) 사이에 형성되고, 한편 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)는 압박 부재(54)로부터 이격된다. 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)는 워크 피스(W)와 실질적으로 동일한 크기 및 동일한 형상을 갖고 있다. 따라서, 제1 압력실(74) 내의 압축 기체의 압력은 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)를 통하여 워크 피스(W)의 전체에 가해진다. 워크 피스(W)의 표면 전체는 균일한 압력으로 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박된다.

제1 압력실(74) 내의 압축 기체의 압력은 제1 압력 레귤레이터(85)에 의해 조절된다. 제1 압력 레귤레이터(85)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 제1 압력 레귤레이터(85)의 동작(즉, 제1 압력실(74) 내의 압축 기체의 압력)은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 보다 구체적으로는, 동작 제어부(10)는 제1 압력 지령값을 제1 압력 레귤레이터(85)에 보내고, 제1 압력 레귤레이터(85)는 제1 압력실(74) 내의 압력이 제1 압력 지령값으로 유지되도록 동작한다.

동작 제어부(10)가 제1 개폐 밸브(86)를 닫아 제1 압력실(74)에의 압축 기체의 공급을 정지하고, 진공 밸브(61)를 개방하면, 진공 라인(60)에 의해 제1 압력실(74) 내에 진공이 형성된다. 그 결과, 도 17에 나타내는 바와 같이, 제1 압력실(74)은 없어지고, 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)는 복수의 압박 부재(54)의 압박면(54a)에 접촉한다. 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)가 복수의 압박 부재(54)의 압박면(54a)에 접촉된 상태에서, 압전 소자(47)에 전압을 인가하면, 압전 소자(47)는, 압박 부재(54) 및 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)를 통해 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박할 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태는, 압축 기체에 의한 워크 피스(W)의 균일한 압박과, 복수의 압전 소자(47)에 의한 다른 힘에 의한 워크 피스(W)의 압박을 실현할 수 있다. 또한, 도 17의 상태에서는, 제1 압력실(74)이 없어지는 만큼 워크 피스(W)가 상방으로 이동하게 된다. 그 경우에는, 승강 기구(24)에 의해 연마 헤드(7)의 높이를 조정해도 된다.

동작 제어부(10)가 제2 개폐 밸브(89)를 개방하면, 압축 기체가 제2 압력실(80) 내에 공급된다. 그 결과, 제2 압력실(80) 내의 압축 기체의 압력은 제2 탄성막(81)을 통하여 리테이너 링(65)에 가해지고, 리테이너 링(65)은 연마 패드(2)의 연마면(2a)을 압박한다. 제2 압력실(80)은 리테이너 링(65)의 전체 둘레를 따라서 연장되어 있다. 따라서, 제2 압력실(80) 내의 압축 기체의 압력은, 제2 탄성막(81)을 통하여 리테이너 링(65)의 전체에 가해지고, 리테이너 링(65)은 균일한 압력으로 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박된다.

제2 압력실(80) 내의 압축 기체의 압력은 제2 압력 레귤레이터(88)에 의해 조절된다. 제2 압력 레귤레이터(88)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 제2 압력 레귤레이터(88)의 동작(즉, 제2 압력실(80) 내의 압축 기체의 압력)은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 보다 구체적으로는, 동작 제어부(10)는 제2 압력 지령값을 제2 압력 레귤레이터(88)에 보내고, 제2 압력 레귤레이터(88)는 제2 압력실(80) 내의 압력이 제2 압력 지령값으로 유지되도록 동작한다.

도 16 및 도 17을 참조하여 설명한 실시 형태에 따른 연마 헤드 시스템을 구비한 연마 장치는, 다음과 같이 하여 워크 피스(W)를 연마할 수 있다.

먼저, 도 1에 나타내는 연마 테이블(5) 및 연마 헤드(7)를 각각 회전시키면서, 연마액 공급 노즐(8)에 의해, 연마액을 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 공급한다. 연마 헤드(7)를 소정의 높이에 위치시키고, 그리고 동작 제어부(10)는 제1 개폐 밸브(86) 및 제2 개폐 밸브(89)를 개방하고, 압축 기체를 제1 압축 기체 공급 라인(77) 및 제2 압축 기체 공급 라인(83)을 통하여 제1 압력실(74) 및 제2 압력실(80)에 각각 공급한다(도 16 참조). 제1 압력실(74) 내의 압력 및 제2 압력실(80) 내의 압력은 제1 압력 레귤레이터(85) 및 제2 압력 레귤레이터(88)에 의해 각각 조절된다.

제1 압력실(74) 내의 압축 기체는 제1 탄성막(75)을 통해 워크 피스(W)를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박하고, 한편 제2 압력실(80) 내의 압축 기체는 제2 탄성막(81)을 통해 리테이너 링(65)을 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박한다. 소정의 연마 시간이 경과하였을 때, 또는 막 두께 센서(42)(도 1 참조)로부터 출력되는 막 두께 지표값이, 예를 들어 목표 잔막 두께와 같은 목표값에 달하였을 때, 동작 제어부(10)는 제1 개폐 밸브(86)를 닫아서 제1 압력실(74)에의 압축 기체의 공급을 정지한다. 또한 동작 제어부(10)는 진공 밸브(61)를 개방하여 진공을 제1 압력실(74) 내에 형성하여 제1 압력실(74)을 소멸시키고, 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)를 압박 부재(54)의 압박면(54a)에 접촉시킨다(도 17 참조). 동시에, 동작 제어부(10)는 제2 압력 레귤레이터(88)에 지령을 발하여, 제2 압력실(80) 내의 압력을 저하시킨다. 또한, 이 때, 승강 기구(24)에 의해 연마 헤드(7)의 높이를 조정해도 된다.

동작 제어부(10)는 구동 전압 인가 장치(50)에 지령을 발하여 압전 소자(47)에 전압을 인가시키고, 압전 소자(47)에 압박력을 발생시킨다. 압박력은 압박 부재(54) 및 제1 탄성막(75)의 맞닿음부(75A)를 통하여 워크 피스(W)에 가해진다. 워크 피스(W)는, 압전 소자(47)에 의해 발생된 압박력에 의해 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 대하여 압박된다. 먼저 설명한 실시 형태와 동일하게, 동작 제어부(10)는 워크 피스(W)의 현재의 막 두께 프로파일과 목표 막 두께 프로파일의 차를 없애기 위해 필요한 전압의 복수의 지령값을 결정하고, 이 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)에 보낸다. 구동 전압 인가 장치(50)는 지령값에 따라서, 대응하는 압전 소자(47)에 전압을 인가한다. 압박력은 압전 소자(47)마다 바뀌므로, 워크 피스(W)의 복수의 부위(영역)는 다른 압박력으로 연마면(2a)에 압박된다.

이와 같이, 본 실시 형태의 연마 장치는, 워크 피스(W)의 균일한 연마와, 워크 피스(W)의 막 두께 프로파일을 조정하기 위한 연마의 2단계 연마를 행할 수 있다.

또한, 도 17에서는, 워크 피스(W)를 가압하는 압력실은 제1 압력실(74)만이지만, 예를 들어 복수의 동심원상으로 압력실이 분할되고, 각각의 압력실에 대하여 압축 기체 공급 라인이 마련되어도 된다. 압축 기체 가압에 의해 막 두께 프로파일을 조정하고, 그 후 압전 소자(47)에 의해 고정밀도의 막 두께 프로파일 조정을 행함으로써, 보다 균일한 막 두께 프로파일이 얻어진다.

도 18은, 또 다른 실시 형태에 따른 연마 헤드(7)의 일부를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 17을 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 각 압박 부재(54)는 전체 방향으로 틸팅 가능한 가동 부재(94)를 갖는 짐벌 기구(92)를 각각 구비하고 있다. 도 18에서는 2개의 압박 부재(54)만이 그려져 있지만, 다른 압박 부재(54)도 마찬가지로 짐벌 기구(92)를 각각 구비하고 있다. 짐벌 기구(92)는 돌출부(54c)에 고정된 구면 베어링(93)과, 이 구면 베어링(93)에 접촉하는 가동 부재(94)를 갖고 있다. 가동 부재(94)는 구면 베어링(93)을 받는 오목면(95)과, 워크 피스(W)를 압박하기 위한 압박면(54a)을 갖고 있다. 오목면(95)은 구면 베어링(93)에 원활하게 미끄럼 접촉하면서, 가동 부재(94)의 전체는 전체 방향으로 기울 수 있다.

본 실시 형태의 짐벌 기구(92)는, 각 압박 부재(54)가 워크 피스(W)의 표면에 추종하는 것을 가능하게 한다. 복수의 압박 부재(54)가 다른 압박력으로 워크 피스(W)를 연마 패드(2)에 대하여 압박하였을 때, 워크 피스(W)의 표면이 굴곡지는 경우가 있다. 이러한 경우에도, 도 18에 나타내는 짐벌 기구(92)는 각 가동 부재(94)가 워크 피스(W)의 표면에 추종하여 기우는 것을 허용하고, 각 압박 부재(54)가 워크 피스(W)를 정확하게 압박하는 것을 가능하게 한다.

도 19는, 짐벌 기구(92)의 다른 구성예를 나타내는 모식도이다. 짐벌 기구(92)는 돌출부(54c)에 고정된 지지 부재(96)를 갖고 있다. 이 지지 부재(96)는 구면 베어링(93)을 받는 오목면(95)을 갖고 있다. 구면 베어링(93)은 가동 부재(94)와 일체이다. 구면 베어링(93)은 가동 부재(94)에 고정되어도 되고, 혹은 구면 베어링(93)과 가동 부재(94)는 일체 구조물이어도 된다. 가동 부재(94)는 워크 피스(W)를 압박하기 위한 압박면(54a)을 갖고 있다.

압박면(54a)을 갖는 가동 부재(94)는 구면 베어링(93)과 일체로 기운다. 구면 베어링(93)의 곡률 중심 O는 가동 부재(94)의 압박면(54a) 상, 또는 압박면(54a) 근처에 위치하고 있다. 구면 베어링(93) 및 가동 부재(94)는 곡률 중심 O의 둘레로 기울 수 있다. 본 실시 형태의 짐벌 기구(92)는, 도 18의 짐벌 기구(92)보다도 곡률 중심 O가 보다 연마면(2a)에 가깝기 때문에, 가동 부재(94)가 필요 이상으로 틸팅하는 것을 억제하면서, 각 가동 부재(94)가 워크 피스(W)의 표면에 보다 추종하기 쉽게 할 수 있다.

도 20은, 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 19를 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다.

도 20에 나타내는 실시 형태에 따른 연마 헤드 시스템은, 워크 피스(W)의 테두리부를 유지하는 적어도 3개의 워크 피스 척 기구(100)와, 이들 워크 피스 척 기구(100)를 구동하는 척 구동 장치(101)를 구비하고 있다. 워크 피스 척 기구(100)는 리테이너 링(65)에 고정되어 있다. 워크 피스 척 기구(100)는 연마 헤드(7) 내의 워크 피스(W)의 테두리부보다도 외주측에 배열되어 있다.

각 워크 피스 척 기구(100)는 워크 피스(W)의 테두리부에 접촉하는 접촉 부재(103)와, 접촉 부재(103)에 고정된 축(105)과, 축(105)에 고정된 제1 기어(108)를 구비하고 있다. 척 구동 장치(101)는 제1 기어(108)에 맞물리는 제2 기어(109)와, 리테이너 링(65)에 고정된 제3 기어(110)와, 제3 기어(110)에 맞물리는 제4 기어(114)와, 제4 기어(114)에 연결된 전동기(115)를 구비하고 있다. 접촉 부재(103)는 워크 피스(W)와 동일한 높이에 위치하고 있으며, 연마 패드(2)의 연마면(2a)으로부터 약간 이격되어 있다. 축(105)은 리테이너 링(65)에 회전 가능하게 유지되어 있다. 접촉 부재(103)는 축(105)의 단부에 접속되어 있고, 축(105)과 일체로 회전 가능하다.

제2 기어(109)는 캐리어(45)의 외면에 고정되어 있고, 캐리어(45)를 둘러싸는 형상을 갖고 있다. 리테이너 링(65)의 내면은 복수의 베어링(120)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 보다 구체적으로는, 베어링(120)의 내륜은 캐리어(45)의 외면에 고정되어 있고, 베어링(120)의 외륜은 리테이너 링(65)의 내면에 고정되어 있다. 따라서, 리테이너 링(65) 및 복수의 워크 피스 척 기구(100)는 캐리어(45)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다. 전동기(115)는 캐리어(45)에 브래킷(122)을 통해 고정되어 있다.

전동기(115)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 전동기(115)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 동작 제어부(10)가 전동기(115)를 작동시키면, 전동기(115)에 연결된 제4 기어(114)가 회전하고, 제3 기어(110)에 회전이 전달됨으로써, 리테이너 링(65) 및 복수의 워크 피스 척 기구(100)는 연마 헤드(7)의 축심을 중심으로 회전한다. 제1 기어(108)는 제2 기어(109)에 맞물리면서 리테이너 링(65)과 함께 회전하고, 접촉 부재(103)가 워크 피스(W)의 테두리부에 접촉될 때까지 축(105) 및 접촉 부재(103)를 회전시킨다.

도 21은, 도 20에 나타내는 접촉 부재(103)가 워크 피스(W)에 접촉하는 모습을 나타내는 모식도이다. 본 도면에서는 3개의 접촉 부재(103)가 배치되어 있지만, 본 발명은 본 실시 형태에 한정되지 않는다. 일 실시 형태에서는, 4개 이상의 접촉 부재(103)(즉, 4개 이상의 워크 피스 척 기구(100))가 마련되어도 된다. 도 21에 나타내는 바와 같이, 리테이너 링(65)이 일방향으로 회전하면, 접촉 부재(103)는 연마 헤드(7)의 중심에 가까워지는 방향으로 회전하고, 접촉 부재(103)는 워크 피스(W)의 테두리부에 접촉한다. 복수의 접촉 부재(103)는 동기하여 회전하고, 워크 피스(W)를 연마 헤드(7)의 중심을 향해 누른다. 이러한 접촉 부재(103)와 워크 피스(W)의 접촉에 의해, 워크 피스(W)의 센터링이 달성됨과 함께, 워크 피스(W)의 반경 방향의 위치가 고정된다. 반대로, 접촉 부재(103)에 의한 고정을 해제할 때는, 전동기(115)를 역회전시킴으로써, 리테이너 링(65)이 반대 방향으로 회전하면, 접촉 부재(103)는 연마 헤드(7)의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 회전하고, 접촉 부재(103)는 워크 피스(W)의 테두리부로부터 이격된다.

도 20 및 도 21을 참조하여 설명한 워크 피스 척 기구(100) 및 척 구동 장치(101)는, 워크 피스(W)의 연마 중에 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 상대적으로 회전하는 것을 방지하며, 또한 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 반경 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 워크 피스(W)의 연마 중, 워크 피스(W)에 대한 압전 소자(47)의 상대적인 위치는 고정된다. 결과적으로, 압전 소자(47)는 워크 피스(W)의 의도한 부위(영역)에 압박력을 가할 수 있어, 목표 막 두께 프로파일을 형성할 수 있다.

도 22는, 워크 피스 척 기구(100) 및 척 구동 장치(101)의 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 21을 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다.

도 22에 나타내는 실시 형태에 따른 연마 헤드 시스템은, 워크 피스(W)의 테두리부를 유지하는 적어도 3개의 워크 피스 척 기구(100)와, 이들 워크 피스 척 기구(100)를 각각 구동하는 적어도 3개의 척 구동 장치(101)를 구비하고 있다. 워크 피스 척 기구(100) 및 척 구동 장치(101)는 리테이너 링(65)에 고정되어 있다. 워크 피스 척 기구(100) 및 척 구동 장치(101)는 연마 헤드(7)의 중심의 둘레에 배열되어 있다.

도 23 및 도 24는, 도 22에 나타내는 워크 피스 척 기구(100) 및 척 구동 장치(101)의 확대 단면도이다. 각 워크 피스 척 기구(100)는, 워크 피스(W)의 테두리부에 접촉하는 접촉 부재(103)와, 접촉 부재(103)를 회전 가능하게 지지하는 축(105)과, 접촉 부재(103)를 가압하여 접촉 부재(103)를 축(105)을 중심으로 회전시키는 스프링(125)을 구비하고 있다. 접촉 부재(103)의 일단부는 워크 피스(W)와 동일한 높이에 위치하고 있으며, 연마 패드(2)의 연마면(2a)으로부터 약간 이격되어 있다. 접촉 부재(103)의 타단부는 스프링(125)에 접촉되어 있다. 축(105)은 리테이너 링(65)에 유지되어 있다. 스프링(125)은 접촉 부재(103)의 일단부를 연마 헤드(7)의 중심에 가까워지는 방향으로 접촉 부재(103)를 회전시키게 배치되어 있다.

척 구동 장치(101)는 에어 실린더, 압전 소자, 전동 실린더 등의 액추에이터로 구성되어 있다. 척 구동 장치(101)는 워크 피스 척 기구(100)와 마찬가지로, 리테이너 링(65)에 고정되어 있다. 도 24에 나타내는 바와 같이, 척 구동 장치(101)는 접촉 부재(103)의 일단부가 연마 헤드(7)의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 접촉 부재(103)를 회전시키도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 척 구동 장치(101)는 스프링(125)의 힘에 저항하여 접촉 부재(103)를 누르고, 접촉 부재(103)의 일단부가 워크 피스(W)의 테두리부로부터 이격되는 방향으로 접촉 부재(103)를 회전시킨다.

척 구동 장치(101)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 척 구동 장치(101)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 척 구동 장치(101)가 접촉 부재(103)로부터 이격되어 있을 때, 스프링(125)은 접촉 부재(103)에 힘을 가하여 접촉 부재(103)를 일 방향으로 회전시켜, 접촉 부재(103)를 워크 피스(W)의 테두리부에 접촉시킨다. 도 24에 나타내는 바와 같이, 척 구동 장치(101)가 접촉 부재(103)를 누르고 있을 때, 접촉 부재(103)는 반대 방향으로 회전하고, 접촉 부재(103)는 워크 피스(W)의 테두리부로부터 이격된다.

동작 제어부(10)는 복수의 척 구동 장치(101)를 동시에 작동시킨다. 복수의 접촉 부재(103)는 동기하여 회전하고, 워크 피스(W)를 연마 헤드(7)의 중심을 향해 누른다. 이러한 접촉 부재(103)와 워크 피스(W)의 접촉에 의해, 워크 피스(W)의 센터링이 달성됨과 함께, 워크 피스(W)의 반경 방향의 위치가 고정된다.

도 22 내지 도 24를 참조하여 설명한 워크 피스 척 기구(100) 및 척 구동 장치(101)는, 워크 피스(W)의 연마 중에 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 상대적으로 회전하는 것을 방지하며, 또한 워크 피스(W)가 연마 헤드(7)에 대하여 반경 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 워크 피스(W)의 연마 중, 워크 피스(W)에 대한 압전 소자(47)의 상대적인 위치는 고정된다. 결과적으로, 압전 소자(47)는 워크 피스(W)의 의도한 부위(영역)에 압박력을 가할 수 있어, 목표 막 두께 프로파일을 형성할 수 있다.

도 20 및 도 24에 나타내는 실시 형태에 따르면, 연마 헤드(7)는 워크 피스 척 기구(100)에 의해 워크 피스(W)를 유지할 수 있다. 따라서, 워크 피스(W)를 진공 흡인에 의해 유지하기 위한 진공 라인(60)을 생략해도 된다.

도 25는, 연마 헤드(7)의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 24를 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다.

도 25에 나타내는 바와 같이, 연마 헤드 시스템은, 캐리어(45)의 플랜지(45B)와 복수의 압전 소자(47) 사이에 압력실(130)을 형성하는 탄성 시트(131)와, 압력실(130)에 연통하는 압축 기체 공급 라인(132)과, 압축 기체 공급 라인(132)에 설치된 압력 레귤레이터(133) 및 개폐 밸브(134)를 구비하고 있다. 캐리어(45)는, 플랜지(45B), 플랜지(45B)에 착탈 가능하게 설치되는 측부(45C), 및 복수의 압전 소자(47)를 유지하는 하우징(45A)을 갖는다. 하우징(45A)은 플랜지(45B) 및 측부(45C)로부터 분리되어 있으며, 플랜지(45B) 및 측부(45C)에 대하여 이동 가능하다.

탄성 시트(131)는 캐리어(45)의 내부에 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 탄성 시트(131)는 캐리어(45)의 플랜지(45B)와 하우징(45A) 사이(즉, 플랜지(45B)와 복수의 압전 소자(47) 사이)에 위치하고 있다. 본 실시 형태에서는, 탄성 시트(131)는 압전 소자(47)의 상방에 위치하고 있다. 탄성 시트(131)는 그 내측에 압력실(130)을 형성하는 형상을 갖고 있다. 압전 소자(47)는 탄성 시트(131)와 압박 부재(54) 사이에 위치하고 있다.

압축 기체 공급 라인(132)은 로터리 조인트(25), 압력 레귤레이터(133) 및 개폐 밸브(134)를 통하여 연장되어 있다. 압축 기체 공급 라인(132)은 캐리어(45)의 플랜지(45B)를 관통하고, 압축 기체 공급 라인(132)의 일단부는 압력실(130)에 연통되어 있다. 압축 기체 공급 라인(132)의 타단부는 압축 기체 공급원(90)에 접속되어 있다. 압축 기체 공급원(90)은 공기, 불활성 가스(예를 들어 질소 가스) 등을 포함하는 압축 기체를 압축 기체 공급 라인(132)에 공급한다.

개폐 밸브(134)는 전동 밸브, 전자 밸브, 에어 오퍼레이트 밸브 등의 액추에이터 구동형 개폐 밸브이다. 개폐 밸브(134)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 개폐 밸브(134)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 압력실(130) 내의 압축 기체의 압력은 압력 레귤레이터(133)에 의해 조절된다. 압력 레귤레이터(133)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 압력 레귤레이터(133)의 동작(즉, 압력실(130) 내의 압축 기체의 압력)은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 보다 구체적으로는, 동작 제어부(10)는 압력 지령값을 압력 레귤레이터(133)에 보내고, 압력 레귤레이터(133)는 압력실(130) 내의 압력이 압력 지령값으로 유지되도록 동작한다.

동작 제어부(10)가 개폐 밸브(134)를 개방하면, 압축 기체는 압축 기체 공급 라인(132)을 통하여 압력실(130) 내에 공급된다. 압력실(130) 내의 압축 기체의 압력은, 탄성 시트(131)를 통해 복수의 압전 소자(47) 및 하우징(45A)을 누르고, 압전 소자(47), 압박력 측정 장치(57), 압박 부재(54) 및 유지 부재(56)를 캐리어(45)의 플랜지(45B)로부터 멀어지는 방향으로(즉, 연마 패드(2) 및 연마 테이블(5)을 향해) 이동시킨다. 압력실(130) 내의 압축 기체의 압력은, 압전 소자(47) 및 유지 부재(56)를 통하여 워크 피스(W)의 전체에 가해진다.

본 실시 형태에 따르면, 압력실(130) 내의 압축 기체의 압력을 워크 피스(W)의 전체에 가하면서, 압전 소자(47)는 워크 피스(W)의 복수의 부위(영역)에 다른 압박력을 압박력 측정 장치(57)로 측정하면서 가할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 연마 헤드 시스템은, 워크 피스(W)의 전체의 연마 레이트를 증가시키면서, 워크 피스(W)의 목표 막 두께 프로파일을 달성할 수 있다.

도 26은, 연마 헤드 시스템의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 25를 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다.

본 실시 형태에서는, 연마 헤드 샤프트(18)는 도 1을 참조하여 설명한 승강 기구(24) 대신에, 에어 실린더(135)에 연결되어 있다. 에어 실린더(135)는 연마 헤드 요동암(16)(도 1 참조)에 고정되어 있다. 에어 실린더(135)는 압축 기체 공급 라인(136)에 접속되어 있다. 보다 구체적으로는, 압축 기체 공급 라인(136)의 일단부는 에어 실린더(135)에 접속되고, 압축 기체 공급 라인(136)의 타단부는 압축 기체 공급원(90)에 접속되어 있다. 압축 기체 공급원(90)은 공기, 불활성 가스(예를 들어 질소 가스) 등을 포함하는 압축 기체를 압축 기체 공급 라인(136)에 공급한다.

압축 기체 공급 라인(136)에는, 압력 레귤레이터(137) 및 개폐 밸브(138)가 설치되어 있다. 개폐 밸브(138)는 전동 밸브, 전자 밸브, 에어 오퍼레이트 밸브 등의 액추에이터 구동형 개폐 밸브이다. 개폐 밸브(138)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 개폐 밸브(138)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 에어 실린더(135) 내의 압축 기체의 압력은 압력 레귤레이터(137)에 의해 조절된다. 압력 레귤레이터(137)은 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 압력 레귤레이터(137)의 동작(즉, 에어 실린더(135) 내의 압축 기체의 압력)은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다.

동작 제어부(10)가 개폐 밸브(138)를 개방하면, 압축 기체는 압축 기체 공급 라인(136)을 통하여 에어 실린더(135) 내에 공급된다. 에어 실린더(135)는 연마 헤드 샤프트(18)를 통해 연마 헤드(7)의 전체를 연마 패드(2) 및 연마 테이블(5)을 향해 이동시킨다. 에어 실린더(135)에 의해 발생된 힘은, 연마 헤드(7)로부터 워크 피스(W)의 전체에 가해진다.

본 실시 형태에 따르면, 에어 실린더(135)는 워크 피스(W)의 전체에 힘을 가하면서, 압전 소자(47)는 워크 피스(W)의 복수의 부위(영역)에 다른 압박력을 압박력 측정 장치(57)로 측정하면서 가할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 연마 헤드 시스템은, 워크 피스(W)의 전체의 연마 레이트를 증가시키면서, 워크 피스(W)의 목표 막 두께 프로파일을 달성할 수 있다.

도 27은, 연마 헤드(7)의 또 다른 실시 형태를 나타내는 단면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1 내지 도 25를 참조하여 설명한 어느 실시 형태와 동일하므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다.

본 실시 형태의 연마 헤드 시스템은, 연마 헤드(7) 내에 배치된 전압 분배기(141)를 구비하고 있다. 전압 분배기(141)는 착탈 가능하게 연마 헤드(7)에 설치되어 있다. 보다 구체적으로는, 전압 분배기(141)는 캐리어(45)에 위치 결정 나사(142)에 의해 고정되어 있다. 위치 결정 나사(142)는 전압 분배기(141)의 압전 소자(47)에 대한 상대적인 위치를 고정하기 위한 위치 결정 장치이다. 위치 결정 나사(142)를 분리하면, 전압 분배기(141)를 연마 헤드(7)로부터 분리할 수 있다. 전압 분배기(141)가 분리되면, 유저는 압전 소자(47)에 액세스할 수 있고, 필요에 따라서 압전 소자(47)를 수리 또는 교환할 수 있다.

전압 분배기(141)는 복수의 압전 소자(47)의 전극에 전기적으로 접촉하는 복수의 접촉핀(145)과, 접촉핀(145)을 유지하는 기대(基臺)(150)와, 전압을 접촉핀(145)에 분배하는 분기 장치(151)와, 분기 장치(151)에 접속된 통신 장치(153)를 구비하고 있다. 분기 장치(151)는 전력선(51) 및 로터리 커넥터(23)를 통해 구동 전압 인가 장치(50)의 전원부(50a)에 전기적으로 접속되어 있다. 전력은 전력선(51)을 통하여 구동 전압 인가 장치(50)의 전원부(50a)로부터 분기 장치(151)에 공급되고, 또한 분기 장치(151)로부터 복수의 접촉핀(145)에 분배된다.

접촉핀(145)은 기대(150)로부터 돌출되고, 모든 압전 소자(47)의 전극에 접촉되어 있다. 하나의 압전 소자(47)에 대하여 2개의 접촉핀(145)이 접촉하도록 접촉핀(145)은 배열되어 있다. 접촉핀(145)은 압전 소자(47)의 전극에 접촉되어 있지만, 압전 소자(47)에 고정되어 있지는 않다. 따라서, 위치 결정 나사(142)를 분리하는 것만으로, 전압 분배기(141)를 압전 소자(47)로부터 분리할 수 있다. 전압 분배기(141)가 위치 결정 나사(142)에 의해 캐리어(45)에 고정되면, 모든 접촉핀(145)은 대응하는 압전 소자(47)에 접촉된다.

연마 헤드 시스템은, 연마 헤드(7)의 내부에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 라인(156)과, 퍼지 가스 공급 라인(156)에 설치된 퍼지 가스 공급 밸브(157)를 더 구비하고 있다. 일반적으로 압전 소자(47)는 습도의 영향을 받기 쉬워, 접촉핀(145) 등도 습도에 의한 단락 회로의 형성 등의 전기적 고장을 야기할 가능성이 있다. 퍼지 가스는 압전 소자(47)의 주위 분위기의 습도를 저하시키므로, 압전 소자(47)의 고장 및 접촉핀(145)의 단락 등을 방지할 수 있다. 퍼지 가스 공급 라인(156)은 연마 헤드(7)의 내부로부터 로터리 조인트(25)를 경유하여 퍼지 가스 공급원(159)까지 연장되어 있다. 퍼지 가스 공급원(159)은 불활성 가스(예를 들어 질소 가스) 또는 건조 공기 등의 퍼지 가스를 퍼지 가스 공급 라인(156)에 공급한다.

퍼지 가스 공급 밸브(157)는 동작 제어부(10)에 접속되어 있고, 퍼지 가스 공급 밸브(157)의 동작은 동작 제어부(10)에 의해 제어된다. 퍼지 가스 공급 라인(156)은 전압 분배기(141)의 기대(150)를 관통하고 있으며, 전압 분배기(141)와 하우징(45A) 사이의 간극에 연통되어 있다. 동작 제어부(10)가 퍼지 가스 공급 밸브(157)를 개방하면, 퍼지 가스는, 전압 분배기(141)와 하우징(45A) 사이의 간극에 공급되고, 압전 소자(47)에 접촉된다.

또한, 연마 헤드(7)의 내부에는, 온도 센서 등의 온도 측정기(160)가 배치되어 있다. 이것은, 일반적으로 압전 소자(47)의 압박력 전압 의존성이 소자 온도의 영향을 받고, 특히 고온이 되면 압박력의 저하로 연결되기 때문이다. 그래서, 압전 소자(47)의 온도를 측정하기 위해서, 온도 측정기(160)가 연마 헤드(7) 내에 마련되어 있다. 본 실시 형태에서는, 온도 측정기(160)는 전압 분배기(141)의 기대(150) 상에 배치되어 있다. 온도 측정기(160)는 통신 장치(153)에 접속되고, 또한 통신 장치(153)를 경유하여 동작 제어부(10)에 접속되어 있다. 온도 측정기(160)는 전압 분배기(141)와 하우징(45A) 사이의 간극에 면해 있다. 온도 측정기(160)는 연마 헤드(7)의 내부 온도를 측정하고, 온도의 측정값을 통신 장치(153)를 경유하여 동작 제어부(10)에 송신한다. 온도의 측정값은 기억 장치(10a)에 기억된다.

동작 제어부(10)는 온도의 측정값에 기초하여 퍼지 가스 공급 밸브(157)를 조작해도 된다. 구체적으로는, 온도의 측정값이 역치를 상회하였을 때, 동작 제어부(10)는 퍼지 가스 공급 밸브(157)를 개방하고, 퍼지 가스를 연마 헤드(7)의 내부에 공급한다. 퍼지 가스는 온도 조정된 기체이며, 연마 헤드(7)의 내부 온도를 적정한 범위 내로 유지할 수 있다. 특히 압전 소자(47)에 전압이 인가되면, 인가 전압의 패턴에 따라서는 압전 소자(47)는 발열하고, 연마 헤드(7)의 내부는 고온이 되기 쉽다. 본 실시 형태에 따르면, 퍼지 가스의 공급에 의해, 연마 헤드(7)의 내부 온도를 적정한 범위 내로 유지할 수 있다.

도 28은 접촉핀(145)의 확대도이다. 접촉핀(145)은 플런저(165)와, 플런저(165)를 압전 소자(47)의 전극(167)에 대하여 압박하는 스프링(170)과, 플런저(165) 및 스프링(170)을 수용하는 케이싱(171)을 구비하고 있다. 플런저(165) 및 케이싱(171)은 금속 등의 도전재로 구성되어 있다. 케이싱(171)은 분기 장치(151)로부터 연장되는 전력 분배선(174)에 접속되어 있다. 플런저(165)는 케이싱(171)을 통하여 전력 분배선(174)에 전기적으로 접속된다. 또한, 전력 분배선(174)은 도선을 포함하는 배선이어도 되고, 혹은 기대(150)에 프린트 등에 의해 형성된 배선이어도 된다.

플런저(165)는 스프링(170)에 의해 압전 소자(47)의 전극(167)에 대하여 압박되어 있으며, 이에 의해 분기 장치(151)와 압전 소자(47)의 전기적 접속이 확립된다. 본 실시 형태에 따르면, 복수의 압전 소자(47)로부터 전원부(50a)까지 연장되는 전력선(51)의 개수를 저감시킬 수 있다. 또한, 전압 분배기(141)의 분리가 용이하여, 결과적으로 압전 소자(47)의 메인터넌스성도 향상된다.

도 27에 나타내는 바와 같이, 분기 장치(151)는 전력선(51) 및 로터리 커넥터(23)를 통하여 구동 전압 인가 장치(50)의 전원부(50a)에 접속되어 있고, 전력은 전원부(50a)로부터 분기 장치(151)에 공급된다. 통신 장치(153)는 통신선(176)을 통해 동작 제어부(10)에 접속되어 있다. 통신선(176)은 통신 장치(153)로부터 로터리 커넥터(23) 및 전압 제어부(50b)를 경유하여 동작 제어부(10)에 연장되어 있다. 동작 제어부(10)는 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 지령값을 전압 제어부(50b) 및 통신 장치(153)에 보내고, 통신 장치(153)는 전압의 지령값을 분기 장치(151)에 보낸다. 분기 장치(151)는 통신 장치(153)로부터 얻은 지령값과, 동일하게 전압 제어부(50b)로부터의 지령값을 바탕으로, 전원부(50a)로부터 인가된 전압을 각각의 압전 소자(47)에 분배하여 인가한다.

도 1 내지 도 28을 참조하여 설명한 각각의 실시 형태에 따른 연마 헤드 시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이, 워크 피스(W)의 피연마면이 하향이 되는 페이스 다운 타입의 연마 장치뿐만 아니라, 도 29에 나타내는 바와 같이, 워크 피스(W)의 피연마면이 상향이 되는 페이스업 타입의 연마 장치에도 적용 가능하다. 이하, 도 29에 나타내는 페이스업 타입의 연마 장치에 대하여 설명한다.

도 29는, 연마 장치의 다른 실시 형태를 나타내는 모식도이다. 연마 헤드(7)는 압박 부재(54)의 압박면(54a)이 위를 향하도록 배치되어 있다. 연마 헤드(7)에 지지된 워크 피스(W)의 피연마면은 위를 향하고 있다. 연마 헤드(7)의 상방에는, 연마액 공급 노즐(8)과, 연마 패드(2)를 지지한 패드 지지부(200)가 배치되어 있다. 연마 패드(2)의 하면은 연마면(2a)을 구성하고, 연마면(2a)은 하방을 향하고 있다. 연마 패드(2)는 워크 피스(W)보다도 작은 사이즈를 갖고 있다.

패드 지지부(200)는 회전축(200a)의 하단에 고정되어 있다. 패드 지지부(200)는 회전축(200a) 및 승강 기구(205)를 통해 지지암(201)에 지지되어 있다. 회전축(200a)은 지지암(201)을 관통하여 연장되어 있다. 회전축(200a)은 승강 기구(205)에 의해 지지암(201)에 대하여 상하 이동하게 되어 있다. 이 회전축(200a)의 상하 이동에 의해, 패드 지지부(200) 및 연마 패드(2)를 지지암(201)에 대하여 상대적으로 승강시켜 위치 결정하게 되어 있다.

승강 기구(205)는 지지대(207)에 고정되어 있다. 이 지지대(207)는 지지암(201)에 고정되어 있다. 승강 기구(205)는, 회전축(200a)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(210)과, 베어링(210)을 유지하는 브리지(212)와, 브리지(212)에 연결된 볼 나사 기구(214)와, 지지대(207) 상에 고정된 서보 모터(216)를 구비하고 있다.

볼 나사 기구(214)는, 서보 모터(216)에 연결된 나사축(214a)과, 이 나사축(214a)이 나사 결합하는 너트(214b)를 구비하고 있다. 너트(214b)는 브리지(212)에 유지되어 있다. 회전축(200a)은 베어링(210) 및 브리지(212)와 일체가 되어 상하 이동 가능하다. 서보 모터(216)를 구동하면, 볼 나사 기구(214)를 통해 브리지(212)가 상하 이동하고, 이에 의해 회전축(200a), 패드 지지부(200) 및 연마 패드(2)가 상하 이동한다.

회전축(200a)은 그의 축방향으로 이동 가능하게 볼 스플라인 베어링(220)에 지지되어 있다. 이 볼 스플라인 베어링(220)의 외주부에는 풀리(222)가 고정되어 있다. 지지암(201)에는 회전 모터(227)가 고정되어 있고, 상기 풀리(222)는 회전 모터(227)에 설치된 풀리(223)에 벨트(225)를 통해 접속되어 있다. 회전 모터(227)가 동작하면, 풀리(223), 벨트(225) 및 풀리(222)를 통해 볼 스플라인 베어링(220) 및 회전축(200a)이 일체로 회전하고, 패드 지지부(200) 및 연마 패드(2)가 회전축(200a)과 함께 회전한다.

지지암(201)은 선회축(228)에 의해 지지되어 있다. 선회축(228)은 요동 장치(230)에 연결되어 있다. 요동 장치(230)는 선회축(228)을 회전시키기 위한 전동기(도시하지 않음)를 갖고 있다. 요동 장치(230)가 선회축(228)을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교대로 소정의 각도만큼 회전시키면, 지지암(201)은 선회축(228)을 중심으로 요동하고, 이에 의해 지지암(201)에 연결된 패드 지지부(200) 및 연마 패드(2)는, 워크 피스(W)의 표면 상을 그의 반경 방향으로 왕복한다.

연마 헤드(7)의 캐리어(45)는 연마 헤드 샤프트(18)의 상단에 고정되어 있다. 연마 헤드 샤프트(18)는 회전 모터(20)에 연결되어 있고, 연마 헤드 샤프트(18) 및 연마 헤드(7)는 회전 모터(20)에 의해 일체로 회전된다. 도 29는, 도 5에 나타내는 실시 형태에 따른 연마 헤드(7)가 연마 장치에 적용된 예를 나타내지만, 도 5 이외의 상술한 실시 형태에 따른 연마 헤드(7)도 마찬가지로 적용 가능하다.

워크 피스(W)는 다음과 같이 하여 연마된다. 워크 피스(W)는 그 피연마면의 위를 향하게 한 상태에서, 연마 헤드(7)에 유지된다. 동작 제어부(10)는 워크 피스(W)의 막 두께의 측정 데이터로부터, 도 4에 도시한 바와 같은 막 두께 프로파일을 작성하고, 이 막 두께 프로파일에 기초하여, 각각의 압전 소자(47)에 인가해야 할 전압의 지령값을 결정하고, 이 지령값을 구동 전압 인가 장치(50)의 전압 제어부(50b)에 송신한다. 전압 제어부(50b)는 지령값에 따라서, 대응하는 압전 소자(47)에 전압을 인가하도록 전원부(50a)에 지시를 내리고, 전압을 압전 소자(47)에 인가한다. 패드 지지부(200) 및 연마 헤드(7)를 도 29의 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키면서, 연마액이 연마액 공급 노즐(8)로부터 연마 헤드(7) 상의 워크 피스(W)의 피연마면 상에 공급된다. 패드 지지부(200)에 유지된 연마 패드(2)의 연마면(2a)은 워크 피스(W)의 표면에 접촉하면서, 요동 장치(230)는 패드 지지부(200) 및 연마 패드(2)를 워크 피스(W)의 반경 방향으로 이동시킨다. 워크 피스(W) 상에 연마액이 존재한 상태에서, 워크 피스(W)는 연마 헤드(7)에 의해 회전되면서, 워크 피스(W)는 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 미끄럼 접촉된다. 워크 피스(W)의 표면은 연마액의 화학적 작용과, 연마액에 포함되는 지립 또는 연마 패드(2)의 기계적 작용에 의해 연마된다.

또한, 연마 패드(2)가 워크 피스(W) 내를 지지암(201)으로 요동시킬 때, 압전 소자(47)에 의한 워크 피스(W)의 가압 분포에 의해, 연마 패드(2) 및 패드 지지부(200)가 워크 피스(W)로부터 받는 반력이 변하기 때문에, 본 반력에 균형이 잡히도록, 서보 모터(216)로 연마 패드(2)의 높이 혹은 연마 패드(2)의 워크 피스(W)에의 압박력을 조정한다.

도 29에 나타내는 실시 형태에서는, 연마 패드(2)의 직경은 워크 피스(W)의 반경보다도 작지만, 일 실시 형태에서는 연마 패드(2)의 직경은 워크 피스(W)의 반경보다도 커도 되고, 또는 워크 피스(W)의 직경과 동일해도 된다. 이들 경우에는, 워크 피스(W)의 연마 중에 패드 지지부(200) 및 연마 패드(2)를 워크 피스(W)의 반경 방향으로 이동시키지 않아도 된다. 연마액 공급 노즐(8)은 패드 지지부(200)의 내부에 배치되고, 연마 패드(2)에 형성된 통과 구멍(도시하지 않음)을 통하여 연마액이 워크 피스(W) 상에 공급되어도 된다. 연마액 공급 노즐(8)의 형상 및 위치는, 연마액을 워크 피스(W)의 피연마면의 전체에 공급 가능한 한에 있어서 특별히 한정되지 않는다.

도 1 내지 도 29를 참조하여 설명한 실시 형태에 따른 연마 헤드(7)를 구비한 연마 장치는, 압전 소자(47) 대신에 복수의 압력실을 갖는 연마 헤드를 구비한 연마 장치와 조합하여 사용할 수 있다. 도 30은, 복수의 압력실(405A, 405B, 405C, 405D)을 갖는 연마 헤드(400)를 구비한 연마 장치를 나타내는 모식 단면도이다. 도 30에 나타내는 연마 헤드(400)는 도 32를 참조하여 설명한 연마 헤드(400)와 동일한 구성을 갖고 있으므로, 그의 중복되는 설명을 생략한다. 연마 테이블(460)에는, 와전류 센서, 광학식 막 두께 센서 등의 막 두께 센서(470)가 배치되어 있다. 연마 패드(500)는 연마 테이블(460)의 상면에 설치되어 있다.

워크 피스(W)는 다음과 같이 하여 연마된다. 연마 테이블(460) 및 연마 헤드(400)를 각각 회전시키면서, 연마액 공급 노즐(480)로부터 연마액(예를 들어, 지립을 포함하는 슬러리)을 연마 패드(500)의 연마면(500a) 상에 공급한다. 연마 헤드(400)는 워크 피스(W)를 회전시키면서, 연마 패드(500)의 연마면(500a)에 압박한다. 워크 피스(W)의 표면은, 연마액에 포함되는 지립 또는 연마 패드(500)에 의한 기계적 작용과, 연마액의 화학 성분에 의한 화학적 작용의 복합에 의해 연마된다.

워크 피스(W)의 연마 중, 막 두께 센서(470)는 워크 피스(W)의 막 두께 지표값을 생성하고, 막 두께 지표값을 동작 제어부(10)에 보낸다. 동작 제어부(10)는 도 4에 도시한 바와 같은, 워크 피스(W)의 피연마면 전체의 막 두께 프로파일을 작성한다. 제작된 막 두께 프로파일은 기억 장치(10a) 내에 기억된다.

도 31은, 도 1 내지 도 29를 참조하여 설명한 어느 실시 형태에 따른 연마 헤드(7)를 구비한 연마 장치와, 도 30을 참조하여 설명한 연마 장치를 구비한 워크 피스 연마 시스템을 나타내는 모식도이다. 이하의 설명에서는, 도 30을 참조하여 설명한 연마 장치를 제1 연마 장치(701)라 칭하고, 도 1 내지 도 29를 참조하여 설명한 어느 실시 형태에 따른 연마 헤드(7)를 구비한 연마 장치를 제2 연마 장치(702)라 칭한다.

워크 피스 연마 시스템은 제1 연마 장치(701)와, 제2 연마 장치(702)와, 워크 피스(W)를 반송하는 반송 장치(705)와, 연마된 워크 피스(W)를 세정하는 세정 장치(707)와, 세정된 워크 피스(W)를 건조시키는 건조 장치(709)와, 제1 연마 장치(701), 제2 연마 장치(702), 세정 장치(707) 및 건조 장치(709)의 동작을 제어하는 상술한 동작 제어부(10)를 구비하고 있다. 제1 연마 장치(701), 제2 연마 장치(702), 세정 장치(707) 및 건조 장치(709)는 각각 복수대 마련되어도 된다.

워크 피스(W)는, 도 30을 참조하여 설명한 제1 연마 장치(701)에 반송 장치(705)에 의해 반송된다. 워크 피스(W)는 제1 연마 장치(701)에 의해 연마된다(제1 연마 공정). 동작 제어부(10)는 제1 연마 공정 중에 취득된 막 두께 지표값으로부터, 도 4에 도시한 바와 같은 워크 피스(W)의 피연마면의 현재의 막 두께 프로파일을 작성한다. 제작된 막 두께 프로파일은 기억 장치(10a) 내에 기억된다. 또한, 제1 연마 공정 중에서의 막 두께 지표값의 취득은, 연마액을 사용한 연마 중에 행해도 되지만, 연마 후에 워크 피스(W) 표면의 연마액 제거를 목적으로, 순수를 공급하면서 워크 피스(W)와 연마 패드(2)를 상대 운동시키는 물 연마 시에 실시해도 된다. 물 연마 시에서는, 워크 피스(W)의 막의 연마가 이루어지지 않기 때문에, 더 정밀도가 높은 막 두께 지표값, 나아가서는 막 두께 프로파일을 작성할 수 있다.

연마된 워크 피스(W)는, 도 1 내지 도 29를 참조하여 설명한 어느 실시 형태에 따른 연마 헤드(7)를 구비한 제2 연마 장치(702)에 반송 장치(705)에 의해 반송된다. 워크 피스(W)는 다음에 제2 연마 장치(702)에 의해 연마된다(제2 연마 공정). 제2 연마 공정에서는, 제1 연마 공정에서 취득한 막 두께 프로파일에 기초하여, 동작 제어부(10)는 목표 막 두께 프로파일을 달성하기 위해 필요한 전압의 지령값을 연산 장치(10b)에서 결정한 후, 구동 전압 인가 장치(50)의 전압 제어부(50b)에 지령값을 보내고, 전원부(50a)로부터 연마 헤드(7) 내의 압전 소자(47)에 전압을 인가한다. 이에 의해, 연마 헤드(7)는 워크 피스(W)를 연마 패드(2)에 대하여 압박하여, 워크 피스(W)의 표면을 연마한다.

제1 연마 장치(701) 및 제2 연마 장치(702)에 의해 연마된 워크 피스(W)는, 반송 장치(705)에 의해 세정 장치(707)에 반송되어, 세정 장치(707)에 의해 세정된다. 세정 장치(707)에는, 롤 세정 도구 또는 펜형 세정 도구 등을 구비한 공지된 세정 장치를 사용할 수 있다. 세정된 워크 피스(W)는 반송 장치(705)에 의해 건조 장치(709)에 반송되어, 건조 장치(709)에 의해 건조된다. 건조 장치(709)에는, 스핀 건조 장치, 이소프로필알코올(IPA)을 사용한 건조 장치 등의 공지된 건조 장치를 사용할 수 있다.

본 발명은, 원형의 워크 피스 뿐만 아니라, 직사각형상, 사각형 등의 다각 형상의 워크 피스의 연마에도 적용할 수 있다.

상술한 실시 형태는 적절히 조합할 수 있다. 예를 들어, 도 14에 나타내는 탄성막(67)은 도 18 내지 도 29를 참조하여 설명한 실시 형태에도 적용할 수 있다.

상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람이 본 발명을 실시할 수 있는 것을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시 형태의 다양한 변형예는 당업자라면 당연히 이룰 수 있는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시 형태에 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.

2 연마 패드
2a 연마면
5 연마 테이블
5a 회전축
7 연마 헤드
8 연마액 공급 노즐
10 동작 제어부
10a 기억 장치
10b 연산 장치
14 지지축
16 연마 헤드 요동암
18 연마 헤드 샤프트
20 회전 모터
21 회전 모터
22 로터리 인코더
23 로터리 커넥터
24 승강 기구
25 로터리 조인트
26 베어링
28 브리지
29 지지대
30 지주
32 볼 나사 기구
38 서보 모터
39 로드·언로드 장치
40 노치 얼라이너
42 막 두께 센서
45 캐리어
45A 하우징
45B 플랜지
47 압전 소자
50 구동 전압 인가 장치
50a 전원부
50b 전압 제어부
51 전력선
54 압박 부재
56 유지 부재
56a 워크 피스 접촉면, 단부면
57 압박력 측정 장치
60 진공 라인
61 진공 밸브
62 진공원
65 리테이너 링
66 단차 구멍
67 탄성막
67a 워크 피스 접촉면
70 플레이트
74 제1 압력실
75 제1 탄성막
75A 맞닿음부
75B 측벽
77 제1 압축 기체 공급 라인
80 제2 압력실
81 제2 탄성막
83 제2 압축 기체 공급 라인
85 제1 압력 레귤레이터
86 제1 개폐 밸브
88 제2 압력 레귤레이터
89 제2 개폐 밸브
90 압축 기체 공급원
92 짐벌 기구
93 구면 베어링
94 가동 부재
95 오목면
96 지지 부재
100 워크 피스 척 기구
101 척 구동 장치
103 접촉 부재
105 축
108 제1 기어
109 제2 기어
110 제3 기어
114 제4 기어
115 전동기
122 브래킷
125 스프링
130 압력실
131 탄성 시트
132 압축 기체 공급 라인
133 압력 레귤레이터
134 개폐 밸브
135 에어 실린더
136 압축 기체 공급 라인
137 압력 레귤레이터
138 개폐 밸브
141 전압 분배기
142 위치 결정 나사
145 접촉핀
150 기대
151 분기 장치
153 통신 장치
156 퍼지 가스 공급 라인
157 퍼지 가스 공급 밸브
159 퍼지 가스 공급원
160 온도 측정기
165 플런저
167 전극
170 스프링
171 케이싱
174 전력 분배선
176 통신선
200 패드 지지부
200a 회전축
201 지지암
205 승강 기구
207 지지대
210 베어링
212 브리지
214 볼 나사 기구
216 서보 모터
220 볼 스플라인 베어링
222 풀리
223 풀리
225 벨트
227 회전 모터
400 연마 헤드
405A, 405B, 405C, 405D 압력실
460 연마 테이블
470 막 두께 센서
480 연마액 공급 노즐
500 연마 패드
701 제1 연마 장치
702 제2 연마 장치
705 반송 장치
707 세정 장치
709 건조 장치
W 워크 피스

Claims

워크 피스를 연마면에 대하여 압박하면서, 연마액의 존재 하에 있어서, 해당 워크 피스와 상기 연마면을 상대 운동을 시킴으로써 해당 워크 피스를 연마하기 위한 연마 헤드 시스템이며,
상기 워크 피스의 복수의 영역에 대하여 압박력을 가하는 복수의 액추에이터를 갖는 연마 헤드와,
상기 복수의 액추에이터를 동작시키는 구동원과,
상기 구동원에 대하여 복수의 지령값을 결정하고 또한 송신하는 동작 제어부
를 구비하는, 연마 헤드 시스템.
제1항에 있어서, 상기 복수의 액추에이터는 복수의 압전 소자이며,
상기 구동원은 상기 복수의 압전 소자에 독립적으로 전압을 인가하는 전원부 및 전압 제어부를 구비한 구동 전압 인가 장치이며,
상기 동작 제어부는 상기 복수의 압전 소자에 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하도록 구성되어 있는, 연마 헤드 시스템.
제2항에 있어서, 상기 복수의 압전 소자는 상기 연마 헤드의 직경 방향 및 둘레 방향을 따라서 분포하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제3항에 있어서, 상기 복수의 압전 소자는 격자상, 동심원상, 지그재그상 배치 중 어느 하나 또는 그의 조합으로 상기 연마 헤드 내에 배치되어 있는, 연마 헤드 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압전 소자에 각각 연결된 복수의 압박 부재를 더 구비하고, 상기 복수의 압박 부재는, 상기 복수의 압전 소자에 각각 대향하는 복수의 제1 면과, 상기 워크 피스를 압박하기 위한 복수의 제2 면을 갖고 있는, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 상기 복수의 제2 면의 형상은 원형, 타원형, 다각형, 원호형 중 적어도 하나를 포함하는, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 상기 복수의 제1 면의 면적은 상기 복수의 제2 면의 면적보다도 큰, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 하나의 압박 부재에 적어도 2개의 압전 소자가 연결되어 있는, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압박 부재를 한정된 범위 내에서 이동 가능하게 유지하는 유지 부재를 더 구비하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제9항에 있어서, 상기 유지 부재는 상기 복수의 압박 부재의, 상기 워크 피스의 압박 방향과 수직인 방향의 이동 범위를 제한하도록 구성되어 있는, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 상기 복수의 압박 부재는, 전체 방향으로 틸팅 가능한 복수의 가동 부재를 갖는 복수의 짐벌 기구를 각각 구비하고 있고, 상기 복수의 가동 부재는 상기 복수의 제2 면을 각각 갖고 있는, 연마 헤드 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드는 워크 피스 접촉면을 갖는 탄성막을 더 구비하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 상기 연마 헤드 내에 압력실을 형성하는 탄성막과,
상기 압력실에 연통하는 압축 기체 공급 라인을 더 구비하고,
상기 압력실은 상기 복수의 압박 부재와 상기 탄성막 사이에 위치하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 상기 연마 헤드 내에 압력실을 형성하는 탄성 시트와,
상기 압력실에 연통하는 압축 기체 공급 라인을 더 구비하고,
상기 압전 소자는 상기 탄성 시트와 상기 복수의 압박 부재 사이에 위치하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제5항에 있어서, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압전 소자가 각각 발생한 복수의 압박력을 측정하는 복수의 압박력 측정 장치를 더 구비하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제15항에 있어서, 상기 복수의 압박력 측정 장치는 상기 복수의 압전 소자와 상기 복수의 압박 부재 사이에 배치되어 있는, 연마 헤드 시스템.
제15항에 있어서, 상기 복수의 압박력 측정 장치는 복수의 압전 센서인, 연마 헤드 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드는 전압 분배기를 더 갖고 있으며,
상기 전압 분배기는 상기 구동 전압 인가 장치 및 상기 복수의 압전 소자에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 구동 전압 인가 장치로부터 인가된 전압을 해당 복수의 압전 소자에 분배하도록 구성되어 있는, 연마 헤드 시스템.
제18항에 있어서, 상기 전압 분배기는, 상기 구동 전압 인가 장치로부터 인가된 전압을 상기 복수의 압전 소자에 분배하는 분기 장치와, 상기 분기 장치 및 상기 구동 전압 인가 장치에 접속된 통신 장치를 갖는, 연마 헤드 시스템.
제19항에 있어서, 상기 전압 분배기는, 상기 복수의 압전 소자와 접촉하는 복수의 플런저와, 상기 복수의 플런저와 상기 분기 장치를 전기적으로 접속하는 전력 분배선을 더 갖는, 연마 헤드 시스템.
제18항에 있어서, 상기 전압 분배기는 상기 연마 헤드에 착탈 가능하게 설치되는, 연마 헤드 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드는 상기 복수의 압전 소자의 온도를 측정하는 온도 측정기를 더 갖는, 연마 헤드 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드 시스템은 상기 연마 헤드의 워크 피스 접촉면에 연통하는 진공 라인을 더 구비하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드는,
상기 복수의 압전 소자의 외측에 위치하는 리테이너 링과,
상기 리테이너 링에 고정된 적어도 3개의 워크 피스 척 기구를 더 구비하고 있는, 연마 헤드 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전원부는 직류 전원인, 연마 헤드 시스템.
워크 피스의 연마 장치이며,
연마 패드를 유지하는 연마 테이블과,
연마액을 상기 연마 패드 상에 공급하는 연마액 공급 노즐과,
제1항에 기재된 연마 헤드 시스템을 구비하는, 연마 장치.
제26항에 있어서, 상기 연마 장치는 상기 워크 피스의 막 두께를 측정하는 막 두께 센서를 더 구비하고 있고, 상기 막 두께 센서는 상기 연마 테이블 내에 배치되어 있는, 연마 장치.
제27항에 있어서, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 센서에 의해 취득된 상기 워크 피스의 막 두께의 측정값으로부터 막 두께 프로파일을 작성하고, 해당 막 두께 프로파일을 바탕으로, 상기 복수의 액추에이터를 구동시키도록, 상기 구동원에 지시하게 구성되어 있는, 연마 장치.
제28항에 있어서, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 프로파일과 목표 막 두께 프로파일의 차를 바탕으로, 상기 복수의 액추에이터의 구동 조건을 결정하고, 상기 구동원에 지시하게 구성되어 있는, 연마 장치.
워크 피스의 연마 장치이며,
연마 패드를 유지하는 연마 테이블과,
연마액을 상기 연마 패드 상에 공급하는 연마액 공급 노즐과,
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 연마 헤드 시스템을 구비하는, 연마 장치.
제30항에 있어서, 상기 연마 장치는 상기 워크 피스의 막 두께를 측정하는 막 두께 센서를 더 구비하고 있고, 상기 막 두께 센서는 상기 연마 테이블 내에 배치되어 있는, 연마 장치.
제31항에 있어서, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 센서에 의해 취득된 상기 워크 피스의 막 두께의 측정값으로부터 막 두께 프로파일을 작성하고, 해당 막 두께 프로파일을 바탕으로, 상기 복수의 압전 소자에 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하도록 구성되어 있는, 연마 장치.
제32항에 있어서, 상기 동작 제어부는 상기 막 두께 프로파일과 목표 막 두께 프로파일의 차를 바탕으로, 상기 복수의 압전 소자에 인가해야 할 전압의 복수의 지령값을 결정하도록 구성되어 있는, 연마 장치.
제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 장치는 상기 워크 피스를 상기 연마 헤드에 유지시키기 위한 로드·언로드 장치를 더 구비하고 있는, 연마 장치.
제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 장치는 상기 워크 피스의 둘레 방향에 있어서의 방향을 검출하는 지향 검출기를 더 구비하고 있는, 연마 장치.
워크 피스를 연마하는 연마 시스템이며,
제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 기재된 연마 장치와,
연마 후에 상기 워크 피스를 세정하는 세정 장치와,
세정 후에 상기 워크 피스를 건조시키는 건조 장치와,
상기 연마 장치, 상기 세정 장치 및 상기 건조 장치 사이에서 상기 워크 피스를 반송하는 반송 기구를 갖는, 연마 시스템.