JPH10202511A - 両面研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワークの大型化に好適に対応して定盤の研磨
面を効率良く利用でき、構成が複雑にならず、製造コス
トを低減できること。 【解決手段】 薄平板に透孔１２ａが設けられて成るキ
ャリア１２と、該キャリア１２の透孔１２ａ内に配され
た板状のウェーハ１０を、上下から挟むと共にウェーハ
１０に対して相対的に移動して研磨する上下の定盤１
４、１６とを備える両面研磨装置において、キャリア１
２を、該キャリア１２の面と平行な面内で自転しない円
運動をさせ、透孔１２ａ内で上下の定盤１４、１６の間
に保持されたウェーハ１０を旋回移動させるキャリア円
運動機構２０を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は両面研磨装置に関す
る。両面研磨装置としては、従来から、エクスターナル
ギヤ（以下、「外歯車」という）とインターナルギヤ
（以下、「内歯車」という）を異なる角速度で回転する
ことによって、加工材料（以下、「ワーク」という）を
担持した遊星歯車に相当するキャリアを自転させるとと
もに公転させ、そのキャリアの上下に配された研磨面を
有する上下の定盤が、ワークを上下から挟むと共にワー
クに対して相対的に移動して研磨する遊星歯車機構を用
いたものがある。この両面研磨装置は、ラッピング装置
（ラップ盤）、またはポリッシング装置として使用さ
れ、精度が高く、両面を同時に研磨できるため加工時間
が短くて済み、半導体チップの素材となるシリコンウェ
ーハ等の薄物研磨加工に適している。

【０００２】

【従来の技術】従来の遊星歯車機構を用いたポリッシン
グ装置の構成について、図３に基づいて説明する。１１
２は上定盤、１１４は下定盤であり、それぞれの表面に
は研磨布が付けられており、その研磨布によって研磨面
が形成されている。１１６は外歯車、１１８は内歯車で
ある。また、１２０はキャリアであり、このキャリア１
２０に穿設された透孔内にワーク１２１が保持され、外
歯車１１６と内歯車１１８と噛み合って回転する。上定
盤１１２は上定盤回し金１１２ａに連繋され、この上定
盤回し金１１２ａから垂下したシャフト１１２ｂの先端
にギヤ１１２ｃが設けられている。ギヤ１１２ｃはアイ
ドルギヤ１１２ｄと、アイドルギヤ１１２ｄはギヤ１１
２ｅに噛合している。このギヤ１１２ｅは、スピンドル
１２６と一体に回転すべく、スピンドル１２６と同軸に
設けられている。下定盤１１４は、その下定盤１１４に
同軸に設けられたギヤ１１４ａを介し、スピンドル１２
６に同軸に設けられたギヤ１１４ｂに連繋している。外
歯車１１６は、その外歯車１１６に同軸に設けられたギ
ヤ１１６ａを介し、スピンドル１２６に同軸に設けられ
た伝達ギヤ１１６ｂに連繋している。内歯車１１８は、
その内歯車１１８に同軸に設けられたギヤ１１８ａを介
し、スピンドル１２６に同軸に設けられた伝達ギヤ１１
８ｂに連繋している。すなわち、このポリッシング装置
は、一つの駆動装置によって、外歯車１１６、内歯車１
１８、上下の定盤１１２、１１４を回転駆動させる、い
わゆる４ウェイ駆動方式となっている。なお、スピンド
ル１２６は可変減速機１３２に連結され、その可変減速
機１３２は、ベルト１３６を介してモータ１３４と連結
されており、スピンドル１２６の回転速度を制御する。

【０００３】この遊星歯車機構を用いたポリッシング装
置によれば、例えば、外歯車１１６の角速度に比べて内
歯車１１８の角速度の方が大きくなるようにギヤ１１６
ａと伝達ギヤ１１６ｂの回転比、およびギヤ１１８ａと
伝達ギヤ１１８ｂの回転比がそれぞれ設定されている場
合、外歯車１１６と内歯車１１８との間に噛合したキャ
リア１２０は、内歯車１１８の回転方向と同一方向（例
えば、「反時計方向」とする）に公転し、且つ時計方向
に自転する。また、下定盤１１４も同じく反時計方向に
回転するが、上定盤１１２はアイドルギヤ１１２ｄが介
在するので時計方向に回転する。なお、研磨条件に応じ
て、キャリア１２０の回転方向および回転速度等は、外
歯車１１６と内歯車１１８の角速度の設定によって変更
することができる。また、ワーク１２１の表裏の研磨面
へは、スラリー等を含む液状の研磨剤が供給され、その
液状の研磨剤の作用によってワーク１２１の研磨が好適
になされる。このポリッシング装置によれば、キャリア
１２０を複雑に運動させることができるため、研磨むら
を防止して均一にワーク１２１（例えば、シリコンウェ
ーハ）研磨できる。従って、ワークの平坦度を向上でき
る。また、ワーク１２１の両面を同時に研磨できるた
め、研磨効率を向上できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
遊星歯車機構を用いた両面研磨装置では、キャリア１２
０が外歯車１１６と内歯車１１８の間で移動する構造に
なるため、最近のシリコンウェーハ等のワーク１２１の
大型化に対応しにくい。すなわち、キャリア１２０の直
径を、定盤の半径より大きくすることは不可能であり、
定盤の研磨面を効率良く利用することができないという
課題があった。また、従来の遊星歯車機構を用いた両面
研磨装置では、複雑な歯車機構となっており、大型化す
ることが難しく、大型の装置を製造するには材料、加
工、配置スペース的な問題など、様々な面でコストが嵩
むという課題があった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、ウェーハの研磨
むらを防止してウェーハの平坦度を向上できると共に、
ワークの大型化に好適に対応して定盤の研磨面を効率良
く利用でき、構成が複雑にならず、製造コストを低減で
きる両面研磨装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は次の構成を備える。すなわち、本発明は、
薄平板に透孔が設けられて成るキャリアと、該キャリア
の透孔内に配された板状のワークを、上下から挟むと共
に該ワークに対して相対的に移動して研磨する上下の定
盤とを備える両面研磨装置において、前記キャリアを、
該キャリアの面と平行な面内で自転しない円運動をさ
せ、前記透孔内で上下の定盤の間に保持された前記ワ−
クを旋回移動させるキャリア円運動機構を具備する。

【０００７】また、前記キャリア円運動装置は、前記キ
ャリアを保持するキャリアホルダーと、前記上下の定盤
の軸線に平行で前記キャリアホルダーに軸着されるホル
ダー側の軸、および該ホルダー側の軸に平行であると共
に所定の距離をおいて基体に軸着される基体側の軸を備
え、前記基体側の軸を中心にホルダー側の軸を旋回させ
ることでキャリアホルダーを基体に対して自転しない円
運動をさせる偏心アームと、該偏心アームを基体側の軸
を中心に回転させる回転駆動装置とを具備することで、
簡単な構成でありながら、キャリアホルダーに保持され
たキャリアを好適に自転しない円運動をさせることがで
きる。

【０００８】また、前記偏心アームが複数設けられ、該
複数の偏心アームは同期して円運動するよう、前記基体
側の軸同士がタイミングチェーン等の同期手段によって
連繋されていることで、簡単な構成でキャリアを好適且
つ安定的に運動させることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例を添
付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明にかか
る両面研磨装置の一実施例を模式的に示した斜視組み立
て図であり、図２は図１の実施例が作動している際の各
構成の位置関係を示す側断面図である。本実施例は、板
状のワークであるシリコンのウェーハ１０を研磨する両
面研磨装置であり、薄平板に透孔１２ａが設けられて成
るキャリア１２と、そのキャリア１２の透孔内に配され
たウェーハ１０を、上下から挟むと共にウェーハ１０に
対して相対的に移動して研磨する上下の定盤１４、１６
とを備える。上下の定盤１４、１６のそれぞれの表面に
は、研磨布１４ａ、１６ａが付けられており、その研磨
布１４ａ、１６ａによって研磨面が形成されている。ウ
ェーハ１０は、円形であり円形の透孔１２ａ内に遊嵌さ
れており、透孔１２ａの中ではフリーに自転可能なサイ
ズになっている。

【００１０】２０はキャリア円運動機構であり、キャリ
ア１２を、キャリア１２の面と平行な面内で自転しない
円運動をさせ、透孔１２ａ内で上定盤１４と下定盤１６
の間に保持されたウェーハ１０を旋回移動させる。この
キャリア円運動機構２０は次の構成を備える。２２はキ
ャリアホルダーであり、リング状に形成されており、リ
ング本体２２ａと押さえリング２２ｂとを備える。この
リング本体２２ａと押さえリング２２ｂとによって円形
のキャリア１２の外縁が挟まれて、キャリア１２がキャ
リアホルダー２２に保持される。

【００１１】２４は偏心アームであり、上下の定盤１
４、１６の軸線Ｌに平行でキャリアホルダー２２に軸着
されるホルダー側の軸２４ａ、およびそのホルダー側の
軸２４ａに平行であると共に所定の距離をおいて基体３
０（図２参照）に軸着される基体側の軸２４ｂを備え
る。すなわち、クランク機構のクランクアームと同様な
機能を備えるように形成されている。この偏心アーム２
４は、本実施例では基体３０とキャリアホルダー２２と
の間の４ヶ所に配され、キャリアホルダー２２を支持す
ると共に、基体側の軸２４ｂを中心にホルダー側の軸２
４ａを旋回させることで、キャリアホルダー２２を基体
３０に対して自転しない円運動をさせる。ホルダー側の
軸２４ａは、キャリアホルダー２２の外周面に突起して
設けられた軸受け部２２ｃに回転可能に挿入・軸着され
ている。これにより、キャリア１２は上下の定盤１４、
１６の軸線Ｌから偏心Ｍして旋回（自転しない円運動）
する。その円運動の半径は、ホルダー側の軸２４ａと基
体側の軸２４ｂとの間隔（偏心Ｍの距離）と同じであ
り、キャリア１２の全ての点が同一の小円の軌跡を描く
運動となる。

【００１２】また、２８はタイミングチェーンであり、
各偏心アーム２４の基体側の軸２４ｂに同軸に固定され
たスプロケット２５（本実施例では４個）に掛け回され
ている。このタイミングチェーン２８と４個のスプロケ
ット２５は、４個の偏心アーム２４が同期して円運動す
るよう、４個の基体側の軸２４ｂ同士を連繋して同期さ
せる同期手段を構成している。この同期手段は、簡単な
構成であり、キャリア１２を好適且つ安定的に運動させ
ることができる。これによって研磨精度を向上でき、ウ
ェーハの平坦度を向上できる。なお、同期手段として
は、本実施例に限られることはなく、タイミングチェー
ン、またはギア等を用いてもよいのは勿論である。３２
はモータ（例えば、ギャードモータ）であり、３４は出
力軸に固定された出力ギヤである。出力ギア３４は偏心
アーム２４の基体側の軸２４ｂに同軸に固定されたギア
２６に噛合している。これにより、偏心アーム２４を基
体側の軸２４ｂを中心に回転させる回転駆動装置が構成
されている。

【００１３】なお、回転駆動装置は、各偏心アーム２４
にそれぞれ対応して配された複数のモータ（例えば、電
動モータ）を利用することもできる。電動モータであれ
ば、電気的に同期を取ることで、複数の偏心アーム２４
を同期運動させ、キャリア１２をスムースに運動させる
ことができる。また、本実施例では偏心アーム２４を４
個配設した場合について説明したが、本発明はこれに限
らず、偏心アーム２４は最低３個あれば、キャリアホル
ダー２２を好適に支持することができる。さらに、直交
する２軸の直線運動の合成によって２次元運動を得るこ
とができるＸＹテーブルの移動体と、前記キャリアホル
ダー２２とを一体化して運動できるようにすれば、１個
の偏心アーム２４の駆動によって、キャリアホルダー２
２を自転しない円運動させることができる。すなわち、
ＸＹテーブルの直交する２軸に延びるガイドによって案
内されることで、前記移動体は自転しない運動をするの
であって、この移動体の運動をキャリアホルダー２２の
運動（自転しない円運動）に好適に利用できる。また、
偏心アーム２４を用いず、ＸＹテーブルの駆動手段、例
えばＸ軸およびＹ軸のそれぞれに配されたサーボモータ
とタイミングチェーンまたはボールネジ等から成る駆動
機構を利用（制御）することで、前記移動体と一体化し
たキャリアホルダー２２を運動（自転しない円運動）さ
せることもできる。この場合は、２個のモータを使用す
ることになるが、モータを制御することで円運動の他に
も自転しない種々の２次元運動を得ることができ、その
運動をウェーハ１０の研磨に利用できる。

【００１４】３６は下定盤回転用モータであり、下定盤
１６を回転させる動力装置である。例えば、本実施例の
ように、ギャードモータを用いることができ、その出力
軸は下定盤１６の回転軸に直結させてもよい。３８は上
定盤回転用動力手段であり、上定盤１４を回転させる。
下定盤回転用モータ３６および上定盤回転用動力手段３
８は、回転方向および回転速度を自由に変更できるもの
とすれば、種々の研磨仕様に柔軟に対応できる。また、
この両面研磨装置では、キャリア１２の透孔１２ａ内に
配されたウェーハ１０を、図２に示すように上定盤１４
と下定盤１６でサンドイッチにして、そのウェーハの研
磨加工がなされる。この際、ウェーハ１０が挟圧される
力は、主に上定盤１４側に設けられた加圧手段（図示せ
ず）による。例えば、なお、空気圧を利用し、エアバッ
ク方式で上定盤１４をウェーハ１０に押しつけるように
してもよい。空気圧を制御することで好適かつ容易に加
圧力を調整できる。なお、上定盤１４側には加圧手段の
他に上定盤１４を昇降動させる昇降装置４０が設けら
れ、ウェーハ１０の給排のときなどに作動する。

【００１５】次に、本発明の使用方法について説明す
る。先ず、キャリア１２を運動させないで、上定盤１４
と下定盤１６とを回転速度の絶対値は同じであるが反対
方向へ回転させた場合を説明する。すなわち、図１に示
すように、例えば、上定盤１４は時計回転をさせ、下定
盤１６は反時計回転させる。この場合は、全く反対方向
に摩擦力が作用するから、その運動力が相互に相殺され
て、理論的にはウェーハ１０は止まった状態で両面の研
磨がなされる。但し、この場合には、上定盤１４および
下定盤１６では、その外周へ向かう程その周速度が大き
くなる。従って、ウェーハ１０の上下の定盤１４、１６
の軸線Ｌに対応する部分から遠い部分ほど研磨が促進さ
れ、ウェーハ１０が均一に研磨されない。

【００１６】次に、キャリア１２を前述した構成からな
る運動機構によって、自転しない円運動をさせることに
よる研磨作用について説明する。上下の定盤１４、１６
の回転を考えず、キャリア１２の自転しない円運動のみ
を考えた場合、その自転しない円運動によれば、運動を
する部材（キャリア１２）の全ての点で全く同じ運動が
なされることになる。これは、全ての点が同一の運動と
なる意味で、一種の揺動運動であり、揺動運動の軌跡が
円になったと考えればよい。従って、自転しない円運動
をするキャリア１２を介し、ウェーハ１０を旋回移動す
れば、この運動による作用に限っていえば、ウェーハ１
０の両面は均一に研磨される。

【００１７】そして、上定盤１４と下定盤１６の回転運
動と、キャリア１２の自転しない円運動とを同時に作動
させた場合は、ウェーハ１０が透孔１２ａの中で回転可
能に保持されているため、特に上定盤１４と下定盤１６
の回転速度の絶対値に差をつけた場合（一方の定盤に対
して他方の定盤の回転速度を速くした場合）、ウェーハ
１０は、その回転速度の速い側の定盤の回転方向へ、連
れ回りする。すなわち、ウェーハ１０は所定の方向へ自
転することになる。このようにウェーハ１０が自転する
ことで、上定盤１４および下定盤１６では、その外周へ
向かう程その周速度が大きくなっているが、その影響を
なくすことができ、ウェーハ１０を均一に研磨できる。
なお、ウェーハ１０の両面を均一に研磨するには、上定
盤１４と下定盤１６の回転速度を交互に一方が速くなる
ように制御すればよい。

【００１８】次に、本発明の他の使用方法について説明
する。以上の実施例では、複数の透孔１２ａが設けら
れ、複数のワーク（ウェーハ１０）を同時に研磨する場
合について説明したが、本発明ではこれに限らず、例え
ば、キャリア１２には大型なワークが保持される透孔１
２ａを一個のみ設け、その大型ワークの両面を研磨する
研磨装置としても利用できる。なお、大型なワークとし
ては、液晶に用いる矩形状のガラス板、或いは枚葉で加
工されるウェーハ（円形）等のワークがある。この場
合、大型なワークは、キャリア１２の中心からその周縁
近傍付近にわたってほぼ全面的に配されることになる。
このとき、キャリア１２による自転しない円運動を主に
利用して研磨し、上定盤１４および下定盤１６の回転速
度は、研磨むらが発生しない程度に遅くすれば、ワーク
の全体面について均一に且つ好適に研磨できる。すなわ
ち、上定盤１４および下定盤１６では、周速度の違いで
外周ほど研磨作用が大きくなるが、その回転速度がキャ
リア１２の自転しない円運動に比べて非常に遅ければ、
研磨作用に直接的には殆ど関与させないようにすること
ができる。そして、上定盤１４および下定盤１６を回転
させることは、ワークに接触する定盤面を常に更新さ
せ、液状の研磨剤をワークの全面へ平均的に供給するな
ど、研磨作用を良好にするため、間接的に好適に寄与で
きる。

【００１９】以上の実施例ではポリッシング装置につい
て説明したが、本発明はラッピング装置にも好適に適用
できるのは勿論である。以上、本発明につき好適な実施
例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの実施例に
限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲
内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。

【００２０】

【発明の効果】本発明の両面研磨装置によれば、キャリ
ア円運動機構によって、キャリアを、そのキャリアの面
と平行な面内で自転しない円運動をさせ、キャリアの透
孔内で上下の定盤の間に保持されたワ−クを旋回移動さ
せる。自転しない円運動によれば、キャリアの全ての部
分で同一の運動がなされるため、ウェーハを均一に研磨
できると共に、キャリア全面と上下の定盤の研磨面を効
率よく利用できる。このため、ウェーハの研磨むらを防
止してウェーハの平坦度を向上できると共に、ワークの
大型化に好適に対応して定盤の研磨面を効率良く利用で
きるという著効を奏する。また、従来の遊星歯車機構を
用いた両面研磨装置に比べて、構成が複雑にならず、大
型化に好適に対応できる構成であり、製造コストを低減
できるという著効を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる両面研磨装置の一実施例の斜視
組み立て図である。

【図２】図１の実施例の側断面図である。

【図３】従来技術を説明する側断面図である。

【符号の説明】

１０ ウェーハ １２ キャリア １２ａ 透孔 １４ 上定盤 １６ 下定盤 ２０ キャリア円運動機構 ２２ キャリアホルダー ２４ 偏心アーム ２４ａ ホルダー側の軸 ２４ｂ 基体側の軸 ２８ タイミングチェーン ３０ 基体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 住澤 春男 長野県長野市松代町清野1650番地 不二越 機械工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄平板に透孔が設けられて成るキャリア
   と、該キャリアの透孔内に配された板状のワークを、上
   下から挟むと共に該ワークに対して相対的に移動して研
   磨する上下の定盤とを備える両面研磨装置において、 前記キャリアを、該キャリアの面と平行な面内で自転し
   ない円運動をさせ、前記透孔内で上下の定盤の間に保持
   された前記ワ−クを旋回移動させるキャリア円運動機構
   を具備することを特徴とする両面研磨装置。
2. 【請求項２】 前記キャリア円運動機構は、 前記キャリアを保持するキャリアホルダーと、 前記上下の定盤の軸線に平行で前記キャリアホルダーに
   軸着されるホルダー側の軸、および該ホルダー側の軸に
   平行であると共に所定の距離をおいて基体に軸着される
   基体側の軸を備え、前記基体側の軸を中心にホルダー側
   の軸を旋回させることでキャリアホルダーを基体に対し
   て自転しない円運動をさせる偏心アームと、 該偏心アームを基体側の軸を中心に回転させる回転駆動
   装置とを具備することを特徴とする請求項１記載の両面
   研磨装置。
3. 【請求項３】 前記偏心アームが複数設けられ、該複数
   の偏心アームは同期して円運動するよう、前記基体側の
   軸同士がタイミングチェーン等の同期手段によって連繋
   されていることを特徴とする請求項２記載の両面研磨装
   置。