WO2016079923A1 - ワークの加工装置 - Google Patents

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workpiece
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plate
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太一 安田
辰男 榎本
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/10—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving electrical means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P52/00—Grinding, lapping or polishing of wafers, substrates or parts of devices

Definitions

  • the present invention relates to a workpiece processing apparatus such as a double-side polishing apparatus or a double-sided lapping apparatus that inserts and holds a workpiece in a holding hole of a carrier and simultaneously processes both surfaces of the workpiece.
  • a workpiece processing apparatus such as a double-side polishing apparatus or a double-sided lapping apparatus that inserts and holds a workpiece in a holding hole of a carrier and simultaneously processes both surfaces of the workpiece.
  • a double-side polishing apparatus or a double-sided lapping apparatus has been used when processing a thin plate-like workpiece such as a silicon wafer.
  • a disc-shaped carrier having a planetary gear on the outer peripheral portion is disposed between upper and lower surface plates to which a polishing cloth made of urethane foam or nonwoven fabric is attached.
  • the carrier rotates and revolves around the sun gear.
  • polishing slurry is supplied from a plurality of holes provided in the upper surface plate in order to perform polishing efficiently.
  • the upper surface plate can be moved up and down, placing the carrier at the raised position and holding the workpiece on the carrier. After the work is held, the upper surface plate descends, and the work and the carrier are sandwiched between the upper and lower surface plates.
  • the holding of the workpiece may be performed manually by an operator or using an automatic handling device (see, for example, Patent Document 1).
  • the upper platen is moved up and down by an upper platen support mechanism that supports the upper platen from above.
  • the upper surface plate support mechanism includes a cylinder having a shaft that can move up and down, and the shaft of the cylinder is connected to the upper surface plate via a connecting portion.
  • a universal joint or a spherical bearing is used for this connecting portion. This is because when there is a variation in the thickness of the workpiece or carrier to be polished, the inclination of the upper surface plate is given a degree of freedom during polishing, and the load is reliably transmitted to the workpiece.
  • the workpiece is polished in a state where the workpiece held in the carrier is not properly contained in the holding hole of the carrier, that is, in a state where there is an abnormality in holding the workpiece, the workpiece greatly protrudes from the holding hole and the workpiece is damaged.
  • the gear, polishing cloth, and surface plate of the device may be damaged.
  • the yield decreases due to the work breakage, the productivity decreases due to the work apparatus restoration work, and the cost increases due to the replacement of the damaged apparatus parts and polishing cloth.
  • Causes of abnormal holding of the workpiece include when the workpiece is not properly inserted into the holding hole from the beginning, or when the workpiece has been correctly inserted into the holding hole. It may protrude from the surface. Such a holding abnormality occurs due to a simple work mistake when the work is held manually by an operator, and when it is performed using an automatic handling device as in Patent Document 1, a failure occurs. This is considered to be caused by the fact that the device does not function sufficiently.
  • the reason why the workpiece correctly inserted into the holding hole protrudes from the holding hole before the polishing is started is as follows.
  • the water or slurry accumulated in the carrier holding hole placed on the lower surface plate makes it easier for the workpiece to get out of the buoyancy.
  • one carrier or a plurality of workpieces can be held by one carrier, and a plurality of carriers, for example, five carriers are equally spaced, that is, 72 ° intervals. are often provided in the apparatus.
  • the target carrier among the plurality of carriers is moved by rotating the internal gear and the sun gear to a specific work charging position.
  • the double-sided lapping step and the double-sided polishing step play an important role in adjusting the thickness and flatness of the workpiece.
  • the flatness is becoming more and more demanding as semiconductor devices are miniaturized, and the importance is increasing year by year.
  • a hook is attached to the upper surface plate, and when the upper surface plate is lowered to a position for machining, this hook is inserted into a groove provided in the center drum. Thereby, the upper surface plate can be rotated by rotating the center drum. The upper surface plate rises from the processing position when a workpiece or a carrier is put in and out and a polishing cloth is cleaned or replaced. At this time, the hook comes out of the groove of the center drum. Thus, during continuous operation, the insertion of the hook into the groove is repeated. Due to this operation and mechanical operation during polishing, the adjusted cylinder may be misaligned.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and can detect a workpiece holding abnormality in a short time and accurately prevent a workpiece or a processing device from being damaged before processing the workpiece.
  • An object of the present invention is to provide a machining apparatus capable of detecting an apparatus abnormality such as a misalignment of the core and suppressing deterioration of the work quality at a low cost.
  • the work is inserted and held in a holding hole of a carrier arranged on a lower surface plate, and the upper surface plate is lowered to a fixed position to hold the work.
  • a workpiece processing apparatus that simultaneously processes both surfaces of the workpiece while rotating the upper and lower surface plates around a rotation axis, respectively, the rotation surface of the upper surface plate and the lower surface plate,
  • An upper surface plate supporting mechanism that supports the upper surface plate so that the upper surface plate can be moved up and down from above by a cylinder extending in a direction, and is fixed to the cylinder so that the main surface is perpendicular to the longitudinal axis of the cylinder.
  • a horizontal plate at least three displacement sensors for measuring the height position of the surface of the horizontal plate when the upper surface plate is lowered to the fixed position, and the horizontal plate measured by the displacement sensor.
  • a control device capable of calculating a relative height position of the upper surface plate and an angle formed by a rotation axis of the upper surface plate and a longitudinal axis of the cylinder from a surface height position;
  • a workpiece processing apparatus characterized by the above is provided.
  • the workpiece processing apparatus may be a double-side polishing apparatus or a double-side lapping apparatus. If it is such, it can be suitably applied to a manufacturing process of a workpiece such as a silicon wafer which requires a particularly high flatness.
  • the control device includes a relative height position of the upper surface plate when the upper surface plate is lowered to the fixed position in a state where the workpiece is normally held in the holding hole of the carrier, and the upper surface plate. It is preferable to have a storage medium in which an angle formed by the rotation axis of the surface plate and the longitudinal axis of the cylinder is recorded in advance as a reference value.
  • control device when the upper surface plate descends to the fixed position, the control device is configured to adjust the relative height position of the upper surface plate, the rotation axis of the upper surface plate, and the longitudinal direction of the cylinder.
  • at least one of the angles formed by the axes is calculated, and when the difference between the calculated value and the reference value exceeds a threshold value, it is determined that the workpiece holding abnormality has occurred.
  • control device may at least either of a relative height position of the upper surface plate during machining of the workpiece and an angle formed by a rotation axis of the upper surface plate and a longitudinal axis of the cylinder. It is preferable to calculate one of them and determine that the apparatus is abnormal when the difference between the calculated value and the reference value exceeds a threshold value.
  • the eccentric angle of the cylinder can always be automatically detected during workpiece machining.
  • the workpiece processing apparatus includes a relative height position of the upper surface plate, a rotation axis of the upper surface plate, and a longitudinal axis of the cylinder from the height position of the surface of the horizontal plate measured by the displacement sensor. Because the control angle can be calculated by the control device, it is possible to detect workpiece holding abnormalities in a short time with high accuracy and prevent damage to the workpiece or processing device before machining the workpiece. In addition, it is possible to constantly detect device abnormalities such as cylinder core misalignment and suppress deterioration of workpiece quality.
  • the present invention is not limited to this.
  • the present inventors have studied. It was.
  • the height position of the upper surface plate and / or the eccentric angle of the cylinder may be monitored, and the height position of the surface of the horizontal plate fixed to the cylinder may be monitored.
  • the present invention was completed.
  • the workpiece machining apparatus of the present invention inserts and holds a thin plate-like workpiece such as a silicon wafer into a carrier holding hole arranged on the lower surface plate, and lowers the upper surface plate to a fixed position to hold the workpiece. Is sandwiched between an upper surface plate and a lower surface plate, and both surfaces of the workpiece are simultaneously processed while rotating the upper and lower surface plates around the rotation axis, for example, a double-side polishing device and a double-sided lapping device.
  • a double-side polishing apparatus will be described as an example with reference to FIG.
  • a double-side polishing apparatus 1 includes an upper surface plate 2 and a lower surface plate 3 that are provided opposite to each other in the vertical direction. 4 is affixed.
  • a sun gear 6 is provided at the center between the upper surface plate 2 and the lower surface plate 3, and an internal gear 7 is provided at the periphery.
  • the carrier 5 is formed with a holding hole 8 for holding the workpiece W. At the time of double-side polishing, the carrier 5 is disposed between the upper surface plate 2 and the lower surface plate 3 with the workpiece W held in the holding hole 8.
  • a robot arm that transports the work W to the holding hole 8 of the carrier 5 and inserts it into the holding hole 8 may be provided.
  • polishing slurry is supplied to the polishing surface of the workpiece from a nozzle (not shown) through a plurality of through holes provided in the upper surface plate 2.
  • the upper surface plate 2 is supported by the upper surface plate support mechanism 9 so as to be movable up and down from above.
  • the upper surface plate support mechanism 9 has a cylinder 10 extending along the rotation axis direction of the upper surface plate 2.
  • a shaft 11 extending downward along the rotational axis direction of the upper surface plate 2 is connected to the lower end of the cylinder 10, and the lower end of the shaft 11 is connected to the connecting portion 12.
  • the upper surface plate support mechanism 9 supports the upper surface plate 2 from above via the connection portion 12. The height position of the upper surface plate 2 can be accurately controlled by the vertical movement of the shaft 11 of the cylinder 10.
  • the upper surface plate 2 is lowered by the upper surface plate support mechanism 9 and the carrier 5 holding the work W is sandwiched between the upper surface plate 2 and the lower surface plate 3, whereby a polishing load can be applied to the carrier 5 and the work W.
  • the polishing load applied to the workpiece W and the carrier 5 can be adjusted by controlling the height position of the upper surface plate 2.
  • the height position of the upper surface plate 2 at which a desired polishing load can be obtained is set as a fixed position, and the upper surface plate 2 is always lowered to the same fixed position at the time of polishing.
  • a universal joint or a spherical bearing can be used for the connecting portion 12.
  • the inclination of the upper surface plate can be given freedom during polishing, and the load can be reliably transmitted to the workpiece W.
  • 2 and 3 show an example in which a universal joint is used for the connecting portion 12.
  • a horizontal plate 13 is fixed to the cylinder 10, and the main surface of the horizontal plate 13 is perpendicular to the longitudinal axis of the cylinder 10.
  • the height position of the surface of the horizontal plate 13 when the carrier 5 is sandwiched between the upper surface plate 2 and the lower surface plate 3 and during the processing of the workpiece can be measured.
  • the displacement sensor 14 is not particularly limited, as shown in FIGS. 2 and 3, for example, the displacement sensor 14 can be arranged so as to be held at the tip of the arm 29 extending upward from the lower portion of the connecting portion 12. Thereby, it can suppress that the measurement accuracy of the displacement sensor 14 is influenced by the eccentric angle of the cylinder 10, for example. In this case, since the displacement sensor 14 also moves up and down as the upper surface plate 2 moves up and down, the distance between the displacement sensor 14 and the surface of the horizontal plate 13 when the upper surface plate 2 is lowered to the fixed position is desired. The length of the arm 29 is adjusted so that the value becomes.
  • the displacement sensor 14 may be a contact type sensor. Specifically, it is configured such that the lower end of the displacement sensor 14 just contacts the surface of the horizontal plate 13 when the upper surface plate 2 is lowered to the fixed position. At this time, the relative height position of the upper surface plate 2 can be calculated based on the measured height position of the surface of the horizontal plate 13 and the distance by which the shaft 11 is actually lowered. Alternatively, the measured height position of the surface of the horizontal plate 13 can be used as the relative height position of the upper surface plate 2.
  • the displacement sensor 14 may be a non-contact type sensor. Further, the angle formed by the rotational axis of the upper surface plate 2 and the longitudinal axis of the cylinder 10 from the height position of the surface of the three or more horizontal plates 13 measured by the three or more displacement sensors 14 (the deviation of the cylinder 10). Core angle) can be calculated.
  • the processing apparatus of the present invention does not directly measure the height position of the upper surface plate 2 or the eccentric angle of the cylinder 10 but from the height position of the surface of the horizontal plate 13 measured by three or more displacement sensors 14. Both the relative height position of the upper surface plate 2 and the eccentric angle of the cylinder 10 can be calculated, and these can be monitored during machining of the workpiece W. Moreover, such a processing apparatus has a simple structure and low cost, and the displacement sensor 14 is not limited to either a contact type or a non-contact type, and has a high degree of design freedom.
  • the control device 15 can calculate the relative height position of the upper surface plate 2 and the eccentric angle of the cylinder 10. As shown in FIG. 1, the control device 15 is connected to each of the displacement sensors 14, receives the measured height position of the surface of the horizontal plate 13 from the displacement sensor 14, and detects the relative height of the upper surface plate 2. The position and the eccentric angle of the cylinder 10 can be calculated and provided to the operator. If the number of the displacement sensors 14 is three, the effects of the present invention can be sufficiently obtained. However, in order to further improve the measurement accuracy, four or more, for example, six displacement sensors 14 may be provided. good.
  • the control device 15 detects the relative height position of the upper surface plate 2 when the upper surface plate 2 is lowered to the fixed position while the workpiece W is normally held in the holding hole 8 of the carrier 5, and the cylinder 10.
  • the reference value of the eccentric angle of the cylinder 10 is recorded after the center of the cylinder 10 is sufficiently adjusted so that the rotational axis of the upper surface plate 2 and the longitudinal axis of the cylinder 10 are actually aligned. Preferably it is done.
  • the relative height position of the upper surface plate 2 and the eccentric angle of the cylinder 10 that is, as shown in FIG.
  • the difference between the calculated value and the reference value exceeds the threshold value, it is determined that the workpiece is abnormally held. To do.
  • at least one of the relative height position of the upper surface plate 2 and the eccentric angle ⁇ of the cylinder 10 is calculated, and the difference between the calculated value and the reference value sets the threshold value. If it exceeds, it is determined that the device is abnormal.
  • the control device 15 can automatically perform these calculations and determinations.
  • the threshold value used when determining the abnormality is determined based on the difference between the relative height position of the upper surface plate 2 measured when the abnormality actually occurs, the eccentric angle of the cylinder 10 and the reference value, for example. be able to.
  • An automatic self-diagnosis function can be realized by incorporating in the control device 15 a program that automatically generates an alarm when the threshold value is exceeded.
  • the angle ⁇ shown in FIG. 5 is expressed with emphasis for the sake of clarity, but in reality, the angle ⁇ is very small and the change cannot be visually recognized.
  • FIG. 4 shows a double-sided lapping apparatus of the present invention.
  • the double-sided lapping device 21 has upper and lower surface plates 22 and 23 (lapping surface plates) provided to face each other in the vertical direction.
  • the lower surface plate 23 has a sun gear 25 on the upper surface of the center thereof, and an annular internal gear 26 is provided on the peripheral edge thereof.
  • a gear portion that meshes with the sun gear 25 and the internal gear 26 is formed on the outer peripheral surface of the carrier 24 that holds the workpiece W, and forms a gear structure as a whole.
  • the carrier 24 is provided with a plurality of holding holes 27.
  • the workpiece W to be wrapped is inserted into the holding hole 27 and held.
  • the carrier 24 is sandwiched between the upper and lower surface plates 22 and 23, and the lower surface plate 23 rotates to cause planetary gear motion, that is, rotation and revolution.
  • the slurry is supplied between the work W and the upper and lower surface plates 22 and 23 through the through holes 28 provided in the upper surface plate 22 from the nozzle, and both surfaces of the work W are lapped.
  • the double-sided lapping apparatus 21 includes a horizontal plate 30 fixed to a cylinder 32 of an upper surface plate support mechanism that supports the upper surface plate 22 so as to be movable up and down from above, There are three or more displacement sensors 31 for measuring the height position of the surface, and a control device 15 connected to each of the displacement sensors 31. Although omitted in FIG. 4, the cylinder 32 is connected to the upper surface plate 22 via a connection portion. From the height position of the surface of the horizontal plate 30 measured by the displacement sensor 31, the control device 15 can calculate the relative height position of the upper surface plate 22 and the eccentric angle of the cylinder 32.
  • the workpiece processing apparatus of the present invention as described above can constantly monitor the height position of the upper surface plate and the tilt of the cylinder, prevent damage to the workpiece and processing device due to abnormal holding of the workpiece, By grasping the static accuracy, it is possible to detect an apparatus abnormality and suppress deterioration of the work quality. Thereby, the cost of material / part replacement due to breakage of the workpiece, polishing cloth, and carrier can be reduced, and the downtime of the processing apparatus can be reduced. As a result, manufacturing cost and productivity can be greatly improved.
  • Example 2 Using the workpiece processing apparatus (double-side polishing apparatus) of the present invention shown in FIG. 1, double-side polishing of a silicon wafer having a diameter of 300 mm was repeated.
  • the double-side polishing apparatus had a total of five carriers having one holding hole. At this time, the detection of the holding abnormality of the wafer before the polishing was started and the accuracy of the apparatus during the polishing was monitored.
  • FIG. 7 shows a calculated value of the height position of the upper surface plate when a wafer holding abnormality occurs.
  • the eccentric angle of the cylinder was calculated, and from the calculated eccentric angle of the cylinder, the position of the axis in the longitudinal direction of the cylinder on the polishing surface was calculated.
  • the maximum width W of the trajectory of the cylinder axis on the polished surface was defined as the eccentric amount
  • the distance d from the rotation axis of the upper surface plate to the center of the trajectory was defined as the misalignment amount.
  • X and y shown in FIG. 8 indicate the x and y directions shown in FIG.
  • a control value is provided for each of the eccentricity amount and the misalignment amount, and a program for generating an alarm of deterioration in device accuracy when the control value is exceeded is incorporated in the control device.
  • the wafer flatness (SFQRmax) was improved by 3%.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.

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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

　本発明は、上定盤の回転軸方向に沿って延びたシリンダーによって上定盤を上方から上下動可能に支持する上定盤支持機構と、シリンダーの長手方向の軸に対し主面が直角になるように該シリンダーに固定された水平板と、上定盤が固定位置まで下降したときの水平板の表面の高さ位置を測定する少なくとも３つの変位センサーと、変位センサーによって測定した水平板の表面の高さ位置から、上定盤の相対的な高さ位置と、上定盤の回転軸とシリンダーの長手方向の軸が成す角度を算出可能な制御装置とを有するワークの加工装置である。これにより、ワークの加工前にワークの保持異常を短時間で精度良く検出してワークや加工装置の破損を防止でき、ワークの加工中にシリンダーの偏芯角を検出してワークの品質悪化を抑制できる。

Description

ワークの加工装置
　本発明は、キャリアの保持孔にワークを挿入して保持し、そのワークの両面を同時に加工する、例えば両面研磨装置や両面ラップ装置などのワークの加工装置に関する。
　従来より、例えばシリコンウェーハ等の薄板状のワークを平面加工する場合、両面研磨装置や両面ラップ装置が使用されている。例えば、両面研磨装置は、発泡ウレタンや不織布からなる研磨布を貼り付けた上下定盤の間に、外周部に遊星ギアを有する円盤状のキャリアを配置する。ワークをこのキャリアの保持孔内に保持し、遊星ギアにかみ合うサンギアとインターナルギアとを相互に回転させることにより、キャリアの自転運動やサンギア周りの公転運動を発生させる。このキャリアの自転および公転運動、及び上下定盤の回転により、ワークと上下定盤とを摺動させてワークの上下面を同時に研磨する。研磨中には、研磨を効率的に行うため、上定盤に設けられた複数の穴から、研磨スラリーを供給する。
　上定盤は上下動が可能であり、上昇位置でキャリアを配置したり、キャリアにワークを保持したりする。ワークが保持された後、上定盤が下降することで、上下定盤でワークとキャリアを挟み込む。ワークの保持は、作業者が手作業で行う場合と、自動のハンドリング装置を使用して行う場合がある（例えば、特許文献１参照）。
　上定盤の上下動は、上定盤を上方から支持する上定盤支持機構により行う。上定盤支持機構は、上下動可能なシャフトを有するシリンダーを含み、シリンダーのシャフトが接続部を介して上定盤と連結している。この接続部には、例えばユニバーサルジョイントや球面軸受けが用いられる。これは、研磨するワークやキャリアの厚さにばらつきがある場合、研磨中に上定盤の傾きに自由度を持たせ、ワークに荷重を確実に伝達するためである。
特開２００５―２４３９９６号公報
　キャリアに保持したワークがキャリアの保持孔内に正しく収まっていない状態、すなわちワークの保持異常がある状態でワークの研磨を行うと、ワークは保持孔から大きく飛び出し、ワークが破損してしまう。この場合、キャリアから飛び出したワークが破損するだけでなく、連鎖的に他のワークやキャリアの破損も引き起こす可能性が高い。さらには装置のギア、研磨布、定盤が破損する場合もある。
　結果としてワーク破損による歩留まりの低下、加工装置復旧作業による生産性の低下、さらには破損した装置部品や研磨布の交換によるコストアップを招いてしまう。
　ワークの保持異常の原因には、ワークが初めから保持孔内に正しく挿入されていない場合や、ワークは正しく保持孔内に挿入されたが、研磨開始前に、例えば定盤の回転によって保持孔からはみ出してしまう場合がある。このような保持異常は、ワークの保持を作業者の手作業で行う場合には、単純な作業ミスによって生じ、また、特許文献１のように自動ハンドリング装置を使用して行う場合には、故障などで装置が十分機能しないことによって生じると考えられる。
　正しく保持孔内に挿入されたワークが、研磨開始前に保持孔からはみ出してしまうのは、以下のような理由が考えられる。
　下定盤に置かれたキャリアの保持孔に溜まっている水やスラリーにより、ワークが浮力を得てはみ出しやすくなる。より具体的には、一般的な両面研磨装置や両面ラップ装置では、１つのキャリアでワークを１枚、もしくは複数枚保持でき、複数のキャリア、例えば５枚のキャリアが等間隔、すなわち７２°間隔で装置に設けられている場合が多い。ワークをキャリアに保持する際には、複数のキャリアのうち、対象のキャリアを特定のワークの仕込み位置にインターナルギアとサンギアを回転させることで移動させる。この特定の仕込み位置に配置されたキャリアに対し、作業者が手作業でワークを保持させたり、あるいは自動ハンドリング装置がワークを保持させたりする。この特定仕込み位置にあるキャリアのウェーハ保持が終了した後、インターナルギアとサンギアを７２°同じ方向に回転させることで、今度はすぐ隣のキャリアをワークの仕込み位置に移動させる（この動作をキャリアのインデックスと呼ぶことがある）。これらワークの保持とインデックスを５回繰り返すことで、５枚全てのキャリアにワークを保持させる。上記したような、ワークが浮力を得てはみ出しやすい条件下では、インデックスのようにキャリアを移動させたり、回転させるときに、ワークがキャリアからはみ出してしまう可能性がある。
　例えばシリコンウェーハ等のワークの製造プロセスでは、両面ラップ工程や両面研磨工程は、ワークの厚さや平坦度を整える重要な役割を担っている。特に平坦度については、半導体デバイスの微細化と共に、その要求はますます厳しくなり、年々重要度が増している。
　良好な平坦度を得る、あるいは、平坦度をさらに改善するには、全てのワークに均一に荷重をかける必要がある。そのためには、下定盤を水平な状態に調整し、その上に配置されたキャリアやキャリアに保持されたワークに対して、上定盤を平行な状態に維持しながら回転させる必要がある。そのためには、部品精度や組み付け精度といった機械精度に加え、上定盤の中心位置やシリンダーの芯を上定盤の回転軸に一致させる調整を確実に行う必要がある。
　ところが実際の操業では、上定盤を平行な状態に維持しながら回転させることを阻害する要因が存在する。この要因として、以下に示すような、上定盤の回転軸からのシリンダーの芯のずれや、機械精度の経時的な劣化が挙げられる。
　上定盤にはフックが取り付けられており、上定盤が加工を行う位置に下降したときに、このフックがセンタードラムに設けられた溝に挿入される。これにより、センタードラムが回転することにより上定盤が回転できるようになる。上定盤は、ワークやキャリアの出し入れや、研磨布の清掃や交換を行う際に、上記加工位置から上昇する。このとき、フックはセンタードラムの溝から抜け出す。このように連続操業の中では、フックの溝への挿入は繰り返されることとなる。この動作と研磨時などにおける機械動作により、調整されたシリンダーの芯がずれる可能性がある。
　さらに、研磨中にワークやキャリアが破損した場合には、装置の様々な箇所に大きな負荷がかかり、機械精度を劣化させる可能性が高い。このように、実際の操業においては、良好に調整された機械精度が、経時的に劣化していくことが一般的である。
　特に、ユニバーサルジョイントや球面軸受けを介して上定盤と連結されたシリンダーを有する加工装置において、シリンダーの芯のずれや装置の機械精度の劣化は、上定盤の回転軸とシリンダーの長手方向の軸が成す角度（以下、シリンダーの偏芯角と呼ぶことがある）が大きくなる事象として現れることが多い。
　ところがこのような機械精度の劣化やシリンダーの芯のずれは、操業を止めないと検出することが難しいため、生産性の観点からこれらの再調整を頻繁に実施するのは難しい。従って、このような経時的な変化が理由でワークの品質に変動が生じたとき、早期にその原因を見極め、対策をとることが困難である。
　本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、ワークの加工前にワークの保持異常を短時間で精度良く検出してワークや加工装置の破損を防止でき、ワークの加工中にシリンダーの芯のずれなどの装置異常を検出してワークの品質悪化を抑制できる加工装置を低コストで提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明によれば、下定盤上に配置したキャリアの保持孔にワークを挿入して保持し、上定盤を固定位置まで下降させて前記ワークを保持した前記キャリアを前記上定盤と下定盤で挟み込み、前記上定盤と下定盤をそれぞれ回転軸周りに回転させながら前記ワークの両面を同時に加工するワークの加工装置であって、前記上定盤の回転軸方向に沿って延びたシリンダーによって前記上定盤を上方から上下動可能に支持する上定盤支持機構と、前記シリンダーの長手方向の軸に対し主面が直角になるように該シリンダーに固定された水平板と、前記上定盤が前記固定位置まで下降したときの前記水平板の表面の高さ位置を測定する少なくとも３つの変位センサーと、前記変位センサーによって測定した前記水平板の表面の高さ位置から、前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度を算出可能な制御装置とを有するものであることを特徴とするワークの加工装置が提供される。
　このようなワークの加工装置であれば、ワークの加工前に、算出した上定盤の相対的な高さ位置とシリンダーの偏芯角に基づいて、ワークの保持異常を短時間で精度良く検出することを可能にするとともに、ワークの加工中に、シリンダーの偏芯角、すなわちシリンダーの芯のずれなどの装置異常を検出してワークの品質悪化を抑制可能にする。しかも、これを、既存の装置に簡単な機能を追加するだけで低コストで実現できる。
　前記ワークの加工装置は、両面研磨装置または両面ラップ装置とすることができる。
　このようなものであれば、特に高平坦度が要求されるシリコンウェーハ等のワークの製造プロセスに好適に適応できる。
　前記制御装置は、前記ワークが前記キャリアの保持孔に正常に保持された状態で前記上定盤を前記固定位置まで下降させたときの前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度を基準値として予め記録しておく記憶媒体を有するものであることが好ましい。
　このようなものであれば、記録した基準値を用いてワークの保持異常やシリンダーの芯のずれなどの装置異常を簡単に精度良く判断できる。
　これに加えて、前記制御装置は、前記上定盤が前記固定位置まで下降したときに前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度の少なくともどちらか一方を算出し、該算出した値と前記基準値との差が閾値を超えた場合に、ワーク保持異常と判定するものであることが好ましい。
　このようなものであれば、ワークの保持異常を自動でより短時間で検出できる。
　これに加えて、前記制御装置は、前記ワークの加工中に前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度の少なくともどちらか一方を算出し、該算出した値と前記基準値との差が閾値を超えた場合に、装置異常と判定するものであることが好ましい。
　このようなものであれば、ワークの加工中に、シリンダーの偏芯角を常時自動で検出できる。
　本発明のワークの加工装置は、変位センサーによって測定した水平板の表面の高さ位置から、上定盤の相対的な高さ位置と、上定盤の回転軸とシリンダーの長手方向の軸が成す角度を制御装置によって算出可能なものであるので、低コストで、ワークの加工前にワークの保持異常を短時間で精度良く検出してワークや加工装置の破損を防止でき、ワークの加工中にシリンダーの芯のずれなどの装置異常を常時検出してワークの品質悪化を抑制できる。
本発明の加工装置の一例としての両面研磨装置を示す概略図である。 本発明の両面研磨装置の上定盤が固定位置まで下降したときの概略図である。 本発明の両面研磨装置の上定盤が上昇したときの概略図である。 本発明の加工装置の一例としての両面ラップ装置を示す概略図である。 本発明の両面研磨装置において、シリンダーの偏芯角を説明する図である。 本発明の両面研磨装置において、ワークがキャリアの保持孔からはみ出した状態を説明する概略図である。 実施例においてウェーハの保持異常を検出した際の上定盤の高さ位置の変化を示すグラフである。 実施例において定義した、偏芯量と芯ずれ量を説明する図である。
　以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
　上記したような、加工開始前のワークの保持異常の検出と、加工中のシリンダーの芯のずれの検出の両方を低コストで実現するという課題を解決するため、本発明者等は検討を行った。その結果、ワークの保持異常を検出するためには、上定盤の高さ位置および／またはシリンダーの偏芯角を監視すれば良く、さらに、シリンダーに固定した水平板の表面の高さ位置を測定する３つ以上の変位センサーを設ければ、ワークの加工中において、上定盤の相対的な高さ位置とシリンダーの偏芯角の両方をリアルタイムで得ることが低コストで可能になることを見出し、本発明を完成させた。
　本発明のワークの加工装置について詳細に説明する。本発明の加工装置は、下定盤上に配置したキャリアの保持孔に、例えばシリコンウェーハなどの薄板状のワークを挿入して保持し、上定盤を固定位置まで下降させてワークを保持したキャリアを上定盤と下定盤で挟み込み、上下定盤をそれぞれ回転軸周りに回転させながらワークの両面を同時に加工するもので、例えば、両面研磨装置、両面ラップ装置が挙げられる。ここでは、両面研磨装置を例として図１を参照しながら説明する。
　図１に示すように、本発明の両面研磨装置１は、上下に相対向して設けられた上定盤２と下定盤３を備えており、各定盤２、３には、それぞれ研磨布４が貼付されている。上定盤２と下定盤３の間の中心部にはサンギア６が、周縁部にはインターナルギア７が設けられている。キャリア５には、ワークＷを保持するための保持孔８が形成されている。両面研磨時には、キャリア５はワークＷを保持孔８内に保持した状態で上定盤２と下定盤３の間に配設される。
　作業者の手作業によりワークＷをキャリア５に保持させることもできるが、ワークＷをキャリア５の保持孔８まで搬送して保持孔８に挿入するロボットアームを設けても良い。
　サンギア６及びインターナルギア７の各歯部にはキャリア５の外周歯が噛合しており、上定盤２及び下定盤３が不図示の駆動源によって回転されるのに伴い、キャリア５は自転しつつサンギア６の周りを公転する。このとき、キャリア５の保持孔８に保持されたワークＷは、上下の研磨布４により両面が同時に研磨される。ワークの研磨時には、不図示のノズルから、上定盤２に設けられた複数の貫通孔を介して研磨スラリーがワークの研磨面に供給される。
　上定盤２は、上定盤支持機構９により上方から上下動可能に支持される。上定盤支持機構９は上定盤２の回転軸方向に沿って延びたシリンダー１０を有する。シリンダー１０の下端には、上定盤２の回転軸方向に沿って下方に延びたシャフト１１が連結し、シャフト１１の下端は接続部１２と連結している。上定盤支持機構９はこの接続部１２を介して上定盤２を上方から支持している。シリンダー１０のシャフト１１の上下動により上定盤２の高さ位置を正確に制御できる。
　上定盤２を上定盤支持機構９により下降させ、ワークＷを保持したキャリア５を上定盤２と下定盤３で挟み込むことで、キャリア５とワークＷに研磨荷重を加えることができる。このとき、上定盤２の高さ位置を制御することによりワークＷとキャリア５に加える研磨荷重を調整することができる。所望の研磨荷重が得られる上定盤２の高さ位置を固定位置とし、研磨時には、毎回常に同じ固定位置まで上定盤２を下降させるようにする。
　接続部１２には、例えばユニバーサルジョイントあるいは球面軸受けを用いることができる。これにより、研磨するワークＷやキャリアの厚さにばらつきがある場合でも、研磨中に上定盤の傾きに自由度を持たせ、ワークＷに荷重を確実に伝達することができる。図２、３は、接続部１２にユニバーサルジョイントを用いた例を示している。
　図２に示すように、上定盤２が固定位置まで下降したときには、上定盤２に取り付けられたフック１７がセンタードラム１８に設けられた溝１９に挿入され嵌合する。この状態のとき、センタードラム１８の回転駆動力を上定盤２に伝達して上定盤２を回転させることが可能になる。一方、図３に示すように、上定盤２が固定位置より上方に移動されたときには、フック１７は溝１９から抜け出た状態となる。
　図１に示すように、シリンダー１０には水平板１３が固定されており、水平板１３の主面がシリンダー１０の長手方向の軸に対し直角になっている。水平板１３の上方には、少なくとも３つの変位センサー１４が設けられ、これら変位センサー１４により、上定盤２が上記した固定位置まで下降したときの、すなわち、ワークＷをキャリア５に保持してからキャリア５を上定盤２と下定盤３で挟み込んだときの、およびワークの加工中の、水平板１３の表面の高さ位置を測定することができる。
　変位センサー１４は、特に限定されないが、図２、３に示すように、例えば接続部１２の下部から上方に延びたアーム２９の先端に保持されるようにして配置することができる。これにより、例えばシリンダー１０の偏芯角によって変位センサー１４の測定精度が影響を受けるのを抑制できる。この場合、上定盤２の上下動に伴って、変位センサー１４も上下動するので、上定盤２が固定位置まで下降したときの、変位センサー１４と水平板１３の表面との距離が所望の値となるように、アーム２９の長さを調整する。
　図２、３に示す例では、上記のように、シリンダー１０の本体および水平板１３は上下動せず、シリンダー１０のシャフト１１が上下動することで上定盤２を上下動させる。この場合、変位センサー１４は接触式のセンサーであっても良い。具体的には、上定盤２が固定位置まで下降したときに、変位センサー１４の下端が水平板１３の表面にちょうど接触するように構成する。このとき、上定盤２の相対的な高さ位置は、測定した水平板１３の表面の高さ位置と、シャフト１１を実際に下降させた距離に基づいて算出できる。あるいは、上定盤２の相対的な高さ位置として、測定した水平板１３の表面の高さ位置を用いることもできる。
　水平板１３がシリンダー１０のシャフト１１とともに上下動する構成の場合には、変位センサー１４を非接触式のセンサーとしても良い。
　また、３つ以上の変位センサー１４で測定した３つ以上の水平板１３の表面の高さ位置から、上定盤２の回転軸とシリンダー１０の長手方向の軸が成す角度（シリンダー１０の偏芯角）を算出できる。
　本発明の加工装置は、上定盤２の高さ位置やシリンダー１０の偏芯角を直接測定するのではなく、３つ以上の変位センサー１４で測定した水平板１３の表面の高さ位置から上定盤２の相対的な高さ位置とシリンダー１０の偏芯角の両方を算出することが可能であり、これらをワークＷの加工中に監視することが可能となる。しかも、このような加工装置は簡単な構造で低コストであり、変位センサー１４は、接触式、非接触式のどちらのタイプにも制限されず、設計の自由度が高い。
　上記の上定盤２の相対的な高さ位置とシリンダー１０の偏芯角の算出は、制御装置１５で行うことができる。図１に示すように、制御装置１５は、変位センサー１４のそれぞれに接続され、測定された水平板１３の表面の高さ位置を変位センサー１４から受信し、上定盤２の相対的な高さ位置とシリンダー１０の偏芯角を算出してオペレータに提供できる。
　変位センサー１４の数は３つであれば、本発明の効果を十分奏すことが可能であるが、測定精度をさらに向上するために、４つ以上の、例えば６つの変位センサー１４を設けても良い。
　制御装置１５は、ワークＷがキャリア５の保持孔８に正常に保持された状態で上定盤２を固定位置まで下降させたときの上定盤２の相対的な高さ位置と、シリンダー１０の偏芯角をそれぞれ基準値として予め記録しておく記憶媒体１６を有している。ここで、シリンダー１０の偏芯角の基準値の記録は、実際に上定盤２の回転軸とシリンダー１０の長手方向の軸が一致するように、シリンダー１０の芯が十分に調整された後に行うことが好ましい。
　これら記録されたそれぞれの基準値と実際の測定値とを比較することにより、ワーク保持異常や装置異常の有無を判断することができる。例えば、図６に示すように、両面研磨装置において、ワークＷがキャリア５の保持孔８に正しく収まっていない場合、上定盤２が研磨開始前に固定位置まで下降したとき、上定盤２は、ワークＷがキャリア５の保持孔８に正しく収まっている場合と比べてより高い位置までしか下降できない。また、複数のワークＷの一部のみがキャリア５の保持孔に正しく収まっていない場合、上定盤２が傾くことによって、シリンダー１０の偏芯角も大きくなる。従って、基準値と比較して上定盤２の相対的な高さ位置がより高いか、あるいはシリンダー１０の偏芯角がより大きいかを確認することでワーク保持異常の有無を判断できる。
　より具体的には、上定盤２が固定位置まで下降したときに上定盤２の相対的な高さ位置と、シリンダー１０の偏芯角、すなわち、図５に示すように、上定盤２の回転軸Ａとシリンダー１０の長手方向の軸Ｂが成す角度θの少なくともどちらか一方を算出し、その算出した値と基準値との差が閾値を超えた場合に、ワーク保持異常と判定する。また、ワークＷの加工中に上定盤２の相対的な高さ位置と、シリンダー１０の偏芯角θの少なくともどちらか一方を算出し、その算出した値と基準値との差が閾値を超えた場合に、装置異常と判定する。制御装置１５により、これら算出と判定を自動で行うことができる。
　異常を判定する際に用いる閾値は、例えば実際に異常が発生した際に測定した上定盤２の相対的な高さ位置とシリンダー１０の偏芯角と基準値との差に基づいて決定することができる。閾値を超えた場合に、自動的にアラームを発生させるプログラムを制御装置１５に組み込むことにより、自動自己診断機能を実現できる。
　なお、図５に示す角度θは、説明を明確にするために強調して表現してあるが、実際、角度θは僅かであり、目視でその変化を捉えることはできない。
　上記では、本発明の加工装置について、両面研磨装置を例として説明したが、両面ラップ装置に適応することもでき、上記と同様の効果を奏するものとすることができる。
　図４に本発明の両面ラップ装置を示す。図４に示すように、両面ラップ装置２１は上下方向に相対向して設けられた上下定盤２２、２３（ラップ定盤）を有している。下定盤２３はその中心部上面にサンギア２５を有し、その周縁部には環状のインターナルギア２６が設けられている。また、ワークＷを保持するキャリア２４の外周面には上記サンギア２５及びインターナルギア２６と噛合するギア部が形成され、全体として歯車構造をなしている。
　キャリア２４には複数個の保持孔２７が設けられている。ラップされるワークＷはこの保持孔２７内に挿入されて保持される。キャリア２４は上下定盤２２、２３の間に挟み込まれ、下定盤２３が回転することで遊星歯車運動、すなわち、自転及び公転する。この際、ノズルから上定盤２２に設けられた貫通孔２８を介してワークＷと上下定盤２２、２３の間にスラリーを供給し、ワークＷの両面がラッピングされる。
　上記両面研磨装置の説明と同様に、両面ラップ装置２１は、上定盤２２を上方から上下動可能に支持する上定盤支持機構のシリンダー３２に固定された水平板３０と、水平板３０の表面の高さ位置を測定する３つ以上の変位センサー３１と、変位センサー３１のそれぞれと接続した制御装置１５を有している。図４では省略されているが、シリンダー３２は接続部を介して上定盤２２と接続している。制御装置１５によって、変位センサー３１によって測定した水平板３０の表面の高さ位置から、上定盤２２の相対的な高さ位置と、シリンダー３２の偏芯角を算出できる。
　上記のような本発明のワークの加工装置は、上定盤の高さ位置と、シリンダーの傾きを常時モニタリングでき、ワークの保持異常によるワークや加工装置の破損を防止したり、上定盤の静的精度を把握することにより、装置異常を検出してワークの品質の悪化を抑制できる。これにより、ワーク、研磨布、キャリアの破損による材料・部品交換のコストを削減でき、加工装置の運転停止時間を削減できる。その結果、製造コスト、生産性を大幅に改善できる。
　以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
　図１に示す本発明のワークの加工装置（両面研磨装置）を用い、直径３００ｍｍのシリコンウェーハの両面研磨を繰り返し行った。両面研磨装置は、１つの保持孔を有するキャリアを合計５枚有しているものとした。この際、研磨開始前のウェーハの保持異常の検出と、研磨中の装置精度の監視を行った。
　両面研磨装置には、接触式の変位センサー（キーエンス製　ＧＴ－Ｈ１０）３つを、それぞれ均等な距離を保つようにして水平板の上方に設けた。図２に示すように、変位センサーの高さ位置を、上定盤が上昇している状態では、水平板の表面に接触しないが、上定盤が固定位置まで下降した状態では水平板の表面にちょうど接触するように調整した。
（保持異常の検出）
　上定盤が固定位置まで下降したときに、上定盤の相対的な高さ位置とシリンダーの偏芯角を自動で算出し、これら算出値が両方ともそれぞれの閾値を超えた場合に保持異常と判断し、ウェーハを保持し直すように要求するプログラムを制御装置に組み込んだ。上定盤の相対的な高さ位置は、３つの算出値の平均値とした。閾値は、意図的にウェーハをキャリアの保持孔からはみ出させた状態で上定盤を固定位置まで下降させようとしたときの上定盤の相対的な高さ位置に基づいて決定した。従来は月に数回ウェーハの保持異常によりワークやキャリアの破損が発生していたが、本発明により、全ての保持異常を検出できた。図７に、ウェーハの保持異常が発生したときの上定盤の高さ位置の算出値を示す。
（装置精度の監視）
　研磨中にシリンダーの偏芯角を算出し、算出したシリンダーの偏芯角からシリンダーの長手方向の軸が研磨面上でどの位置を指し示すのかを算出した。図８に示すように、研磨面上におけるシリンダーの軸の軌跡の最大幅Ｗを偏芯量、上定盤の回転軸と軌跡の中心までの距離ｄを芯ずれ量として定義した。図８に示すｘ、ｙは、図５に示すｘ、ｙ方向を示している。偏芯量と芯ずれ量を研磨中に監視することにより、上定盤の挙動と芯出し精度を定量的に監視することが可能となった。これにより、ウェーハの品質変動の原因が装置精度にあるのかの判断を迅速に行うことができた。偏芯量と芯ずれ量にそれぞれ管理値を設け、管理値を超えた場合に装置精度の悪化のアラームを発生させるようなプログラムを制御装置に組み込んだ。このアラームが発生した時点で装置の精度調整を実施するようにしたところ、ウェーハの平坦度（ＳＦＱＲｍａｘ）を３％改善できた。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (5)

  1. 　下定盤上に配置したキャリアの保持孔にワークを挿入して保持し、上定盤を固定位置まで下降させて前記ワークを保持した前記キャリアを前記上定盤と下定盤で挟み込み、前記上定盤と下定盤をそれぞれ回転軸周りに回転させながら前記ワークの両面を同時に加工するワークの加工装置であって、
    　前記上定盤の回転軸方向に沿って延びたシリンダーによって前記上定盤を上方から上下動可能に支持する上定盤支持機構と、
    　前記シリンダーの長手方向の軸に対し主面が直角になるように該シリンダーに固定された水平板と、
    　前記上定盤が前記固定位置まで下降したときの前記水平板の表面の高さ位置を測定する少なくとも３つの変位センサーと、
    　前記変位センサーによって測定した前記水平板の表面の高さ位置から、前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度を算出可能な制御装置と、
    　を有するものであることを特徴とするワークの加工装置。
  2. 　前記ワークの加工装置は、両面研磨装置または両面ラップ装置であることを特徴とする請求項１に記載のワークの加工装置。
  3. 　前記制御装置は、前記ワークが前記キャリアの保持孔に正常に保持された状態で前記上定盤を前記固定位置まで下降させたときの前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度を基準値として予め記録しておく記憶媒体を有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のワークの加工装置。
  4. 　前記制御装置は、前記上定盤が前記固定位置まで下降したときに前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度の少なくともどちらか一方を算出し、該算出した値と前記基準値との差が閾値を超えた場合に、ワーク保持異常と判定するものであることを特徴とする請求項３に記載のワークの加工装置。
  5. 　前記制御装置は、前記ワークの加工中に前記上定盤の相対的な高さ位置と、前記上定盤の回転軸と前記シリンダーの長手方向の軸が成す角度の少なくともどちらか一方を算出し、該算出した値と前記基準値との差が閾値を超えた場合に、装置異常と判定するものであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のワークの加工装置。
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