JPH1148126A - 研磨装置 - Google Patents

研磨装置

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JPH1148126A
JPH1148126A JP21617897A JP21617897A JPH1148126A JP H1148126 A JPH1148126 A JP H1148126A JP 21617897 A JP21617897 A JP 21617897A JP 21617897 A JP21617897 A JP 21617897A JP H1148126 A JPH1148126 A JP H1148126A
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polishing
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Yoshio Nakamura
由夫 中村
Norihiko Moriya
紀彦 守屋
Atsushi Kajikura
惇 鍛治倉
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で、上定盤の下定盤への押圧力を
滑らかに調整できることで、ワークを高い精度で好適に
研磨する。 【解決手段】 上定盤支持機構12が、基体の上部にピ
ストンロッド22aが上下方向に伸縮可能に配設された
シリンダ装置22と、シリンダ装置22のピストンロッ
ド22aの下端に、ピストンロッド22aの軸心を中心
に回転可能に装着された回転板24と、回転板24に上
下動可能に挿通され、上定盤20及び回転板24が前記
軸心を中心に一体に回転するよう、下端が上定盤20に
連結されると共に、上端側に回転板24からの脱落を防
止する抜け止め部26aが設けられた複数の連結ロッド
26と、連結ロッド26の各抜け止め部26aと回転板
24との間に装着されたコイルスプリング28とを備え
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
し、さらに詳細には、ワークを支持する下定盤と、該下
定盤への押圧力を加減調整可能な上定盤支持機構に支持
された上定盤との間でワークを挟圧し、上定盤、下定盤
及びワークを相対的に運動させてワークを研磨する研磨
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコンウェーハ等の薄板状の被加工物
を研磨する研磨装置としてはラッピング装置があり、被
加工物の研磨面を鏡面に研磨する研磨装置としてはポリ
ッシング装置がある。例えば、ラッピング装置では、太
陽ギヤである外歯車(以下、「エクスターナルギヤ」)
と内歯車(以下、「インターナルギヤ」という)を異な
る角速度で回転することによって、被加工物(以下、
「ワーク」という)を透孔中に保持したキャリアを自転
させると共に公転させる。キャリアは遊星歯車に相当す
る。そして、そのキャリアの上下に設けられた上下の研
磨定盤(以下、上の研磨定盤を「上定盤」と、下の研磨
定盤を「下定盤」という)によりワークを上下から挟む
と共に、上定盤と下定盤とワークの間にスラリー(研磨
液)を供給し、ワークに対して各定盤が相対的に移動
(回転及び/又は揺動運動)してワークの両面を同時に
研磨するものがある。このラッピング装置は、いわゆる
4ウェイ駆動方式の両面研磨装置として知られており、
ワークを精度高く平坦化及び研磨できると共に、ワーク
の両面を同時に加工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。
【0003】また、ポリッシング装置は、一般的に、上
面に研磨クロスが接着されて研磨面が形成され、回転す
る定盤と、その定盤の上方に回転可能かつ上下動可能に
設けられ、下面にワークを密着・保持する保持プレート
を有する保持装置とを備える。なお、定盤は下定盤に相
当し、保持プレートは上定盤に相当する。このポリッシ
ング装置によれば、研磨液を供給しつつ、定盤とワーク
とを相対的に運動させることで、鏡面研磨加工が行われ
る。
【0004】従来のラッピング装置の具体例について、
図3に基づいて説明する。20は上定盤であり、下面に
ワーク10であるシリコンウェーハをラッピングする研
磨面が形成され、上面にキー21が装着されている。2
2は空圧等のシリンダ装置であり、門型フレーム14の
上部に設けられている。上定盤20は、回転板23及び
連結ロッド27を介し、シリンダ装置22のピストンロ
ッド22aの先端に吊り下げられ、回転自在に支持され
ている。すなわち、回転板23に固定された連結部22
bによって、ロッド22は回転しない状態で、そのロッ
ド22に対し、連結ロッド27を介して連繋された回転
板23及び上定盤20が、回転可能且つ脱落しないよう
に設けられている。そして、上定盤20は、その自重に
基づく下定盤30への押圧力を、シリンダ装置22によ
る吊り上げ力の調整で加減圧可能に設けられている。
【0005】また、上定盤20は、キー21が駆動モー
タ70の動力で回転される回し金54のキー溝に挿入・
係合しており、駆動モータ70によって回転駆動され
る。回し金54の下部には回し金シャフト54aが垂設
されており、その下端部に設けられたシャフトギヤ54
bは、アイドルギヤ63を介してスピンドル60に設け
られたスピンドルギヤ64に噛合している。この動力伝
達機構により、駆動モータ70の動力が回し金54を介
して上定盤20に伝達される。なお、上定盤20と回し
金54とをキー21で連繋するのは、ワーク10の給排
或いは保守管理の際に、上定盤20を下定盤30との間
隔が広くあくように吊り上げる必要のためである。
【0006】50はエクスターナルギアであり、キャリ
ア40に噛合して回転駆動させる。このエクスターナル
ギヤ50には、回し金シャフト54aの周囲に同心に設
けられた第1中空シャフト50aが連結しており、その
第1中空シャフト50aに設けられたシャフトギヤ50
bは、スピンドル60に設けられたスピンドルギヤ65
に噛合している。また、下定盤30には、第1中空シャ
フト50aの周囲に同心に設けられた第2中空シャフト
30aが連結されており、その第2中空シャフト30a
の中途部に設けられたシャフトギヤ30bがスピンドル
60に設けられたスピンドルギヤ61に噛合している。
【0007】また、52はインターナルギアであり、キ
ャリア40に噛合して回転駆動させる。このインターナ
ルギヤ52には、第2中空シャフト30aの周囲に同心
状に設けられた第3中空シャフト52aが連結されてお
り、その第3中空シャフト52aに設けられたシャフト
ギヤ52bがスピンドル60に設けられたスピンドルギ
ヤ62に噛合している。なお、スピンドル60は、可変
減速機69に連結されており、その可変減速機69はベ
ルトを介して電動モータ、油圧モータ等の駆動モータ7
0に連結されている。これにより、上定盤20、下定盤
30、エクスターナルギヤ50、インターナルギヤ52
は、同一の駆動モータ70よって、可変減速機69、ギ
ヤ列、各シャフトを介してそれぞれ動力が伝達されて、
回転駆動されていた。
【0008】このような構成から成るラッピング装置に
よれば、前述したように、上定盤20は、その自重に基
づく下定盤30への押圧力を、シリンダ装置22による
吊り上げ力の調整で加減圧可能に設けられている。すな
わち、ピストンロッド22aをシリンダ本体へ収縮させ
る方向へ作動するよう、下側の圧力室へ供給する圧力流
体を高くすればするほど、上定盤20の下定盤30への
押圧力をより軽減できる。従って、上定盤20の下定盤
30への押圧力としては、最大で上定盤20の自重を加
えることが可能である。シリコンウェーハの研磨加工に
おいては、その表面に凹凸があるときには、シリンダ装
置22に高圧の圧力流体を供給し、上定盤20による押
圧力を減圧をしてラッピングする。徐々にシリンダ装置
22に供給している圧力流体の圧力を下げて、上定盤2
0による押圧力を増大させる。そして、シリコンウェー
ハの表面が滑らかになると共に厚みが均一になって、そ
のシリコンウェーハが全面的に均一な荷重を受ける状態
となった後に、上定盤20の全自重がかかるように調整
がなされてラッピング加工が行われている。このとき、
上定盤20による押圧力の加減圧調整は精度良く滑らか
に行われることが望ましい。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ラ
ッピング装置においては、上定盤20による押圧力の加
減がシリンダ装置22の加減圧の調整によって直接的に
行われるため、そのシリンダ装置22の内部抵抗の影響
を直接的に反映してしまい、その微調整をリニアにする
ことが困難であった。すなわち、ピストンロッド22a
の引張応力に対応して上定盤20による押圧力が直接的
に変化するということであり、上定盤20の下面である
研磨面がワーク10に当接した状態で上定盤20による
押圧力が変化するのである。従って、シリンダ装置22
内のピストンロッド22a上端に固定されたピストンの
研磨工程中の作動ストロークは、基本的にワーク10の
研磨量(削り厚さ量)とピストンロッド22aの微小な
弾性伸び量との合計の長さになり、非常に短いものにな
る。そして、ピストンとシリンダ内壁との摩擦抵抗によ
って、ピストンは完全に滑らかに移動することは困難で
あって間欠的に作動するが、その動作が微小であっても
ピストンの前記作動ストローク自体が小さいため上定盤
20による押圧力に直接的に反映してしまう。従って、
上定盤20による下定盤30への押圧力を滑らかに調整
できないという課題があった。なお、上記のようにピス
トンがつっかえながら間欠的に作動する現象をノッキン
グ或いはスリップステックと呼んでいる。また、通常、
ピストンはシール部材を介してシリンダ内壁で摺動可能
に設けられており、そのシール部材の圧力による変形等
が、摩擦抵抗の要因になっている。
【0010】また、各連結ロッド27の長さを完全に同
一に加工することは困難であり、連結ロッド27の長さ
の微小な差による微小な傾斜によっても、部分的に荷重
が集中してしまい、ワークを均一に研磨できない。特
に、シリコンウェーハの研磨においては、サブミクロン
オーダーの極めて高い精度の研磨が要求され、シリコン
ウェーハの大型化に伴い装置全体も大型化する等、その
非常に厳しい研磨条件に対応できないという課題があっ
た。
【0011】そこで、本発明の目的は、簡単な構成で、
上定盤の下定盤への押圧力を滑らかに調整できること
で、ワークを高い精度で好適に研磨できる研磨装置を提
供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するに次の構成を備える。すなわち、本発明は、ワー
クを支持する下定盤と、該下定盤への押圧力を加減調整
可能な上定盤支持機構に支持された上定盤との間でワー
クを挟圧し、上定盤、下定盤及びワークを相対的に運動
させてワークを研磨する研磨装置において、前記上定盤
支持機構は、基体の上部にピストンロッドが上下方向に
伸縮可能に配設されたシリンダ装置と、該シリンダ装置
のピストンロッドの下端に、該ピストンロッドの軸心を
中心に回転可能に装着された回転板と、該回転板に上下
動可能に挿通され、前記上定盤及び回転板が前記軸心を
中心に一体に回転するよう、下端が前記上定盤に連結さ
れると共に、上端側に回転板からの脱落を防止する抜け
止め部が設けられた複数の連結ロッドと、前記連結ロッ
ドの各抜け止め部と前記回転板との間に装着された弾性
部材とを備え、前記上定盤を吊り下げ支持すると共に、
該上定盤の自重に基づく下定盤へ押圧力を、シリンダ装
置による吊り上げ力の調整で加減圧することを特徴とす
る。
【0013】また、前記複数の連結ロッドが、前記シリ
ンダ装置のピストンロッドの軸心を中心とする円周の等
分位置に設けられたことで、同一部材を複数用いる簡単
な構成でより均一にワークを研磨できる。
【0014】また、前記弾性部材は、コイルスプリング
であることで、その収縮ストロークによって、上定盤に
よる押圧力の加減にかかるシリンダ装置のロッドの上下
動の有効ストロークを飛躍的に長くでき、上定盤による
押圧力を滑らかに調整してワークを非常に高い精度で研
磨できる。
【0015】また、前記下定盤の上面及び前記上定盤の
下面には、それぞれにワークを研磨するための研磨面が
形成され、ワークの両面を同時に研磨することで、両面
研磨装置に好適に適用できる。また、前記ワークは薄板
状であり、該薄板状のワークの両面を同時にラッピング
することで、シリコンウェーハ等の薄物のラッピング装
置に好適に適用できる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる好適な実施
例を添付図面と共に詳細に説明する。図1は本発明にか
かる一実施例(主に上定盤支持機構)を示す正面図であ
る。また、図2は図1の実施例の上定盤支持機構を説明
する平面図である。本実施例は、シリコンウェーハの両
面を同時に研磨する研磨装置の一例のラッピング装置で
ある。このラッピング装置は、シリコンウェーハ(ワー
ク10)を支持する下定盤30と、その下定盤30への
押圧力を加減調整可能な上定盤支持機構12に支持され
た上定盤20との間でワーク10を挟圧し、上定盤2
0、下定盤30及びワーク10を相対的に運動させてワ
ーク10の両面を研磨する。なお、上定盤20、下定盤
30、キャリア40を駆動させるエクスターナルギア5
0及びインターナルギア52の駆動機構は、図3の従来
技術と同様であり、説明を省略する。
【0017】前記上定盤支持機構12は、次のような構
成を備える。22はシリンダ装置であり、基体の上部で
ある門型フレーム14の梁中央部に、ピストンロッド2
2aが上下方向に伸縮可能に配設されている。本実施例
のシリンダ装置22は図示しない圧縮空気源から供給さ
れる空気圧で作動するが、他の流体圧(例えば、水圧、
油圧)で作動するようにしてもよい。24は回転板であ
り、シリンダ装置22のピストンロッド22aの下端
に、ピストンロッド22aの軸心を中心に回転可能に装
着されている。図1及び図2に示すように、円形の平板
に形成されている。なお、重量を軽減するには適宜くり
抜き部を設け、剛性を高めるには適宜リブ等を形成すれ
ばよい。
【0018】26は連結ロッドであり、回転板24に上
下動可能に挿通され、上定盤20及び回転板24がピス
トンロッド22aの軸心を中心に一体に回転するよう、
下端が上定盤20に連結されている。そして、上端部に
回転板24からの脱落を防止する抜け止め部26aが設
けられている。本実施例では、回転板24に穿設された
貫通孔24aに、連結ロッド26が挿通されており、回
転板24と上定盤20とを連繋している。また、図2に
示すように、本実施例では、12本の連結ロッド26
が、ピストンロッド22a及び回転板24の軸心を中心
とする円周の等分角度位置にそれぞれ設けられている。
【0019】28はコイルスプリングであり、連結ロッ
ド26の各抜け止め部26aと回転板24の上面との間
に装着された弾性部材の一例である。以上の構成によっ
て設けられた上定盤支持機構12によれば、上定盤20
を吊り下げ支持すると共に、上定盤20の自重に基づく
下定盤30へ押圧力を、上定盤20へのシリンダ装置2
2による吊り上げ力の調整で好適に加減圧することがで
きる。なお、連結ロッド26及びコイルスプリング28
の数は、12個である必要はなく、複数であれば、これ
より増減してもよいのは勿論である。
【0020】また、本実施例はラッピング装置であるた
め、下定盤30の上面及び上定盤20の下面には、それ
ぞれにワーク10を研磨するための研磨面が形成され、
ワーク10の両面を同時に研磨することができる。これ
により、本実施例によれば、薄板状の脆性材料から形成
されたシリコンウェーハ(ワーク10)の両面を、高精
度に効率良くラッピングすることができる。
【0021】次に、本実施例の使用状態と作用効果につ
いて説明する。先ず、ワーク10をキャリア40の透孔
に内で下定盤30の研磨面上にセットする際は、シリン
ダ装置22のピストンロッド22aを収縮することによ
って、下定盤30との間に充分な間隔があくように上定
盤20を引き上げておく。このときには、複数のコイル
スプリング28によって、上定盤20の重量の全部を受
けている。従って、各コイルスプリング28は最も収縮
した状態にある。なお、一枚当たりのキャリア40の透
孔の数は、通常5個以上であり、ワーク10はそれぞれ
の透孔に保持されることになる。また、キャリア40
は、一装置当たりについて通常4〜5個であるから、同
時に20枚以上のワーク10が研磨できる。
【0022】そして、シリンダ装置22のエアを減圧し
て上定盤20を降下させ、上定盤20の研磨面をワーク
10の上面に当接させる。ワーク10(シリコンウェー
ハ)の被研磨面は、ラッピングされる前には凹凸があ
り、上定盤20による高い加重をかけると、加重がワー
ク10の凸部に集中し、ワーク10を破壊してしまう。
従って、ワーク10のラッピング開始時には、シリンダ
装置22に供給される空気圧は高い状態(例えば、5k
gf/cm2 )にあり、ワーク10に加えられる加重は
低い状態にある。また、このときの複数のコイルスプリ
ング28にかかる加重は、上定盤20の重量からワーク
10にかかる加重を差し引いたものになる。各コイルス
プリング28は最も収縮した状態から若干伸びた状態に
なる。
【0023】次に、徐々にシリンダ装置22に供給して
いる空気圧の圧力を下げて、上定盤20によるワーク1
0側への押圧力を増大させつつ、ワーク10をラッピン
グする。なお、ワーク10をラッピングする際の上定盤
20、下定盤30及びキャリア40を駆動させるエクス
ターナルギア50及びインターナルギア52の駆動方法
等は、図3に示した従来技術と同様であり、説明を省略
する。そして、ワーク10の両被研磨面がある程度滑ら
かになると共に厚みが均一になって、そのワーク10が
全面的に均一な荷重を受ける状態となった後に、上定盤
20の全自重或いは一連の研磨工程において最大の加重
になるようにシリンダ装置22に供給している空気圧の
圧力を調整する。上定盤20による最大加重である全自
重をワーク10にかける場合には、空気圧の圧力をゼロ
にすればよい。
【0024】以上のように、シリンダ装置22に供給し
ている空気圧の圧力を、徐々に下げている間に、コイル
スプリング28にかかる加重が、ワーク10にかかる加
重に変換され、徐々に軽減される。従って、コイルスプ
リング28は徐々に伸びることになる。このコイルスプ
リング28が伸びる長さは、シリンダ装置22のピスト
ンロッド22aが突出(伸長)するストロークに対応す
る。すなわち、ピストンロッド22aの有効ストローク
が、コイルスプリング28の伸縮のストロークの長さと
基本的に同じことになる。図3の従来技術に比べ、その
有効ストロークを非常に長くすることができる。このた
め、長い有効ストロークの中で所定の圧力変化を行うこ
とが可能であり、シリンダ装置22のピストンとシリン
ダ本体内壁との間に発生する内部抵抗の影響を受けにく
く、上定盤を20による押圧力を滑らかに変化できる。
従って、高精度の研磨を好適に行うことが可能である。
【0025】また、複数の連結ロッド26の長さにばら
つき(誤差)があっても、複数のコイルスプリング28
を介しているため、加重が各コイルスプリング28に好
適に分散され、均一にワーク10を押圧できる。これ
は、そのコイルスプリング28の伸縮のストロークの長
さがその誤差の長さに比べて格段に長いことになり、連
結ロッド26の長さの多少のばらつきは、容易に吸収さ
れることによる。すなわち、単純に複数のロッド26が
連結された際には、上定盤20の研磨面をワーク10の
被研磨面に当接させるときなど、最も長い連結ロッド2
6から集中的に加重を受けることが考えられるが、本実
施例のように複数のコイルスプリング28を介した場合
は、その加重を好適に分散できる。また、複数のコイル
スプリング28で、水平バランスよく上定盤20を吊る
ことが可能であり、シリンダ装置20内のピストンに偏
った力を与えることがない。このため、上述したシリン
ダ装置22の内部抵抗の影響を受けにくく、上定盤を2
0による押圧力を安定的且つ滑らかに変化できる。従っ
て、高精度の研磨を好適に行うことが可能である。
【0026】ところで、上記実施例の連結ロッド26
は、単純に貫通孔24aに挿通されているが、リニアブ
ッシュ、球面軸受、又は両者を一体化した軸受等を介し
て回転板24に挿通してもよい。リニアブッシュを用い
れば、スラスト方向の移動をより滑らかに受けることが
でき、球面軸受によれば、連結ロッド26の傾倒にも好
適に対応可能になる。また、連結ロッド26のスラスト
方向(上下方向)の移動を所定の範囲に規制するストッ
パ手段を設けてもよいのは勿論である。
【0027】また、上記実施例では、弾性部材としてコ
イルスプリング28を用いたが、これに限らず、エアバ
ッグ等の圧力流体を利用した弾性手段、或いはゴム材を
用いることも可能である。なお、エアバッグ等の場合
は、回転する回転板24上に搭載するため、圧空等の圧
力流体を供給するためにディストリビュータを必要とす
るなど、構造が複雑になる。また、ゴム材の場合は、コ
イルスプリング28のように、長い伸縮ストロークをと
りにくい。
【0028】また、上記実施例では、上定盤20を吊り
下げる基体として門型フレーム14を用いたが、基体
(フレーム)の形態はこれに限定されるものではなく、
逆L字型等の形態でもよい。但し、門型フレーム14
は、高荷重に耐えることができる等の利点がある。ま
た、上記実施例では、上定盤20、下定盤30及びキャ
リア40の駆動源を一つの駆動モータ70(図3参照)
と想定した場合を説明したが、本発明はこれに限らず、
それぞれを別々に駆動させるようにしてよいのは勿論で
ある。また、上記実施例では、研磨装置として両面ラッ
ピング装置について説明してきたが、これに限定される
ものではなく、例えばポリッシング装置において同等の
構成でワークを好適に鏡面研磨できる。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。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、回転板及び上定盤を連
繋する連結ロッドの各抜け止め部と、シリンダ装置のピ
ストンロッドの下端に回転可能に装着された回転板との
間に、弾性部材を装着したことにより、上定盤の自重に
基づく下定盤へ押圧力を、シリンダ装置による吊り上げ
力の調整で好適に加減圧することができる。すなわち、
弾性部材を好適に介在させることでシリンダ装置のピス
トンロッドの有効伸縮ストロークを長くとることがで
き、上定盤による下定盤への押圧力を安定的且つ滑らか
に変化させることができる。従って、本発明によれば、
簡単な構成であるが、ワークを高い精度で好適に研磨で
きるという著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるラッピング装置の一実施例を示
す正面断面図である。
【図2】図1の実施例の上定盤支持機構を説明する平面
図である。
【図3】従来のラッピング装置の正面断面図である。
【符号の説明】 10 ワーク 12 上定盤支持機構 14 門型フレーム 20 上定盤 22 シリンダ装置 22a ピストンロッド 24 回転板 26 連結ロッド 26a 抜け止め部 28 コイルスプリング 30 下定盤

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ワークを支持する下定盤と、該下定盤へ
    の押圧力を加減調整可能な上定盤支持機構に支持された
    上定盤との間でワークを挟圧し、上定盤、下定盤及びワ
    ークを相対的に運動させてワークを研磨する研磨装置に
    おいて、 前記上定盤支持機構は、 基体の上部にピストンロッドが上下方向に伸縮可能に配
    設されたシリンダ装置と、 該シリンダ装置のピストンロッドの下端に、該ピストン
    ロッドの軸心を中心に回転可能に装着された回転板と、 該回転板に上下動可能に挿通され、前記上定盤及び回転
    板が前記軸心を中心に一体に回転するよう、下端が前記
    上定盤に連結されると共に、上端側に回転板からの脱落
    を防止する抜け止め部が設けられた複数の連結ロッド
    と、 前記連結ロッドの各抜け止め部と前記回転板との間に装
    着された弾性部材とを備え、 前記上定盤を吊り下げ支持すると共に、該上定盤の自重
    に基づく下定盤へ押圧力を、シリンダ装置による吊り上
    げ力の調整で加減圧することを特徴とする研磨装置。
  2. 【請求項2】 前記複数の連結ロッドが、前記シリンダ
    装置のピストンロッドの軸心を中心とする円周の等分角
    度位置に設けられたことを特徴とする請求項1記載の研
    磨装置。
  3. 【請求項3】 前記弾性部材は、コイルスプリングであ
    ることを特徴とする請求項1又は2記載の研磨装置。
  4. 【請求項4】 前記下定盤の上面及び前記上定盤の下面
    には、それぞれにワークを研磨するための研磨面が形成
    され、ワークの両面を同時に研磨することを特徴とする
    請求項1、2又は3記載の研磨装置。
  5. 【請求項5】 前記ワークは薄板状であり、該薄板状の
    ワークの両面を同時にラッピングすることを特徴とする
    請求項4記載の研磨装置。
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