(57)【要約】【課題】研磨加工部に作用する押圧力を正確に検出可能な押圧力検出装置を提供する。【解決手段】研磨ヘッドの駆動軸３０は、支持フレーム部２３に回転自在かつ回転軸方向に移動自在に支持され、ヘッド回転機構４０及びヘッド昇降機構５０により駆動される。この駆動軸３０と研磨ヘッド７０とは、カップリング部６０により回転軸方向にのみ弾性的に相対変位可能に接続されるとともに、カップリング部６０には駆動軸３０と研磨ヘッド７０との相対変位を非接触で検出する相対変位検出部１１０が設けられる。演算処理装置１２０は、検出された相対変位量およびカップリング部６０の弾性係数に基づいて研磨荷重を算出する。【選択図】図１
2010172988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に回転可能かつ回転軸方向に移動可能に配設された駆動軸と、前記駆動軸にカップリング部を介して接続された研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに対向して設けられ研磨対象物を保持するワーク保持部とを備え、前記駆動軸を回転させるとともに前記回転軸方向に移動させて前記研磨ヘッドに装着された研磨パッドを前記ワーク保持部に保持された研磨対象物に押接し研磨加工を行うように構成された研磨装置において、
前記カップリング部は、前記駆動軸と前記研磨ヘッドとを前記駆動軸の回転方向に一体回転させるとともに、前記回転軸方向には前記駆動軸と前記研磨ヘッドとを弾性的に相対変位可能に接続するように構成され、
前記カップリング部における前記駆動軸と前記研磨ヘッドとの前記回転軸方向の相対変位量を非接触で検出する相対変位検出手段と、
予め設定された前記カップリング部の弾性係数および前記相対変位検出手段により検出された前記駆動軸と前記研磨ヘッドとの前記回転軸方向の相対変位量に基づいて、前記研磨対象物に対する前記研磨パッドの押圧力を算出する演算処理部とを備えたことを特徴とする研磨装置の押圧力検出装置。
【請求項２】
前記カップリング部において、前記駆動軸と前記研磨ヘッドとが前記回転軸と直交方向に延びて平行に設けられた複数の板バネにより接続されることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置の押圧力検出装置。
【請求項３】
前記相対変位検出手段は、
前記カップリング部において対向する前記駆動軸および前記研磨ヘッドの対向部に設けられ、前記回転軸を含む軸平面において反射面が同一の傾斜角で平行に配設された第１反射部材および第２反射部材と、
前記対向部の外周側に位置して前記基台に設けられ、前記軸平面において前記回転軸に直交するプローブ光を出射して前記第１反射部材を照明する光源、および前記回転軸を挟んで前記光源と反対側に設けられ前記プローブ光が前記第１反射部材および前記第２反射部材に反射されて出射する反射光を受光して当該反射光の位置を検出する位置検出器とからなり、
前記演算処理部は、前記位置検出器から入力される前記反射光の位置の変化から前記駆動軸と前記研磨ヘッドとの前記回転軸方向の相対変位量を算出し、前記算出された相対変位量および予め設定された前記カップリング部の弾性係数に基づいて前記研磨対象物に対する前記研磨パッドの押圧力を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置の押圧力検出装置。
【請求項４】
前記カップリング部は、前記駆動軸に前記回転軸方向に延びて設けられた有底円筒状の外筒部と、前記研磨ヘッドに前記回転軸方向に延びて設けられ前記外筒部の内部に配設されるヘッド軸と、前記外筒部内において前記回転軸と直交方向に延び前記外筒部と前記ヘッド軸とを接続する前記複数の板バネとからなり、
前記第１反射部材および前記第２反射部材は、一方が前記外筒部の底部に設けられ、他方が前記底部と対向する前記ヘッド軸の軸端部に設けられ、
前記第１反射部材の反射面が配向する前記外筒部の周面には、前記光源から出射された前記プローブ光を前記外筒部内の前記第１反射部材に導入する光導入部が形成され、前記第２反射部材の反射面が配向する前記外筒部の周面には、前記第１反射部材および前記第２反射部材に反射された前記反射光を前記外筒部から導出する光導出部が形成されることを特徴とする請求項３に記載の研磨装置の押圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨パッドを回転させて研磨対象物に押接し研磨加工を行う研磨装置において、研磨対象物に対する研磨パッドの押圧力を検出する押圧力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような押圧力検出装置が設けられた研磨装置として、ガラス基板や石英基板、半導体ウェハなどの研磨対象物を平坦に化学的機械研磨するＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polish）装置が知られている。ＣＭＰ装置には種々の形態があるが、例えば、研磨対象物を保持するワーク保持部に対向して設けられた研磨アームに、駆動軸が回転自在かつ回転軸方向に移動自在に支持されてアーム内部に設けられた回転機構及び軸移動機構によって駆動され、この駆動軸の軸端に接続された研磨ヘッドを回転させ、スラリーを供給しながら研磨対象物に研磨パッドを押圧させて研磨加工を行うように構成される。
【０００３】
このような研磨装置において駆動軸を回転軸方向に移動させ、研磨パッドを研磨対象物に押圧させる軸移動機構のアクチュエータとして、エアシリンダが広く一般的に用いられている。このようなＣＭＰ装置において、研磨対象物に対する研磨パッドの押圧力（研磨荷重、研磨圧力）を検出する押圧力検出装置は、エアシリンダのシリンダ室に供給されるエアの圧力を圧力検出器により検出し、検出されたシリンダ室の内圧と、既知であるピストンの受圧面積とから算出するように構成されていた。あるいはピストンロッドと駆動軸とを連結する連結部に、荷重またはひずみを検出する検出器を設け、検出器によって検出された荷重またはひずみから研磨対象物に対する研磨パッドの押圧力を算出するように構成されていた（例えば特許文献１、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５４３０５号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の押圧力検出装置では、検出器により検出される検出値に、エアシリンダのピストンやピストンロッドのシール部に生じる摩擦抵抗、駆動軸を回転自在に支持するボールベアリングの転がり抵抗、駆動軸を回転軸方向に移動自在に支持するボールスプラインの転がり抵抗などが含まれており、研磨パッドと研磨対象物との間に現実に作用する押圧力との間に誤差が生じる、という課題があった。さらに、これらの抵抗は駆動軸の回転速度や移動速度、温度、各部の潤滑状態等により複雑に変化するため、一義的に補正することも困難であった。
【０００６】
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、研磨パッドと研磨対象物との間すなわち研磨加工部に作用する押圧力をより正確に検出可能な押圧力検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、基台（例えば、実施形態における支持フレーム２３）に回転可能かつ回転軸方向に移動可能に配設された駆動軸と、駆動軸にカップリング部を介して接続された研磨ヘッドと、研磨ヘッドに対向して設けられ研磨対象物を保持するワーク保持部とを備え、駆動軸を回転させるとともに回転軸方向に移動させて研磨ヘッドに装着された研磨パッドをワーク保持部に保持された研磨対象物に押接し研磨加工を行うように構成された研磨装置の押圧力検出装置である。そのうえで、カップリング部は、駆動軸と研磨ヘッドとを駆動軸の回転方向に一体回転させるとともに、回転軸方向には駆動軸と研磨ヘッドとを弾性的に相対変位可能に接続するように構成されるとともに、カップリング部における駆動軸と研磨ヘッドとの回転軸方向の相対変位量を非接触で検出する相対変位検出手段（例えば、実施形態における相対変位検出部１１０）と、予め設定されたカップリング部の弾性係数および相対変位検出手段により検出された駆動軸と研磨ヘッドとの回転軸方向の相対変位量に基づいて、研磨対象物に対する研磨パッドの押圧力を算出する演算処理部とを備えて研磨装置の押圧力検出装置が構成される。
【０００８】
なお、前記カップリング部において、駆動軸と研磨ヘッドとが回転軸と直交方向に延びて平行に設けられた複数の板バネ（平行板ばね）により接続されることが好ましい。
【０００９】
また、前記相対変位検出手段は、前記カップリング部において対向する駆動軸および研磨ヘッドの対向部に設けられ回転軸を含む軸平面において反射面が同一の傾斜角で平行に配設された第１反射部材および第２反射部材と、前記対向部の外周側に位置して前記基台に設けられ、前記軸平面において回転軸に直交するプローブ光を出射して第１反射部材を照明する光源、および回転軸を挟んで光源と反対側に設けられプローブ光が第１反射部材および第２反射部材に反射されて出射する反射光を受光して当該反射光の位置を検出する位置検出器とからなり、前記演算処理部は、位置検出器から入力される反射光の位置の変化から駆動軸と研磨ヘッドとの回転軸方向の相対変位量を算出し、算出された相対変位量および予め設定されたカップリング部の弾性係数に基づいて研磨対象物に対する研磨パッドの押圧力を算出することが好ましい。
【００１０】
この場合において、前記カップリング部は、駆動軸に回転軸方向に延びて設けられた有底円筒状の外筒部と、研磨ヘッドに回転軸方向に延びて設けられ外筒部の内部に配設されるヘッド軸と、外筒部内において回転軸と直交方向に延び外筒部とヘッド軸とを接続する複数の板バネとからなり、前記第１反射部材および前記第２反射部材は、一方が外筒部の底部に設けられ、他方が前記底部と対向するヘッド軸の軸端部に設けられ、第１反射部材の反射面が配向する外筒部の周面には光源から出射されたプローブ光を外筒部内の第１反射部材に導入する光導入部が形成され、第２反射部材の反射面が配向する外筒部の周面には第１反射部材および第２反射部材に反射された反射光を外筒部から導出する光導出部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、駆動軸が回転され回転軸方向に移動されて研磨パッドが研磨対象物に押圧されると、このときの押圧力に応じて駆動軸と研磨ヘッドとが弾性的に相対変位する。この相対変位量は非接触の相対変位検出手段により検出され、検出された相対変位量とカップリング部の弾性係数に基づいて演算処理部により押圧力が算出される。このため、算出された押圧力に、駆動軸を回転軸方向に移動させるアクチュエータの摩擦抵抗や、駆動軸を支持するボールベアリング、ボールスプライン等の転がり抵抗などが含まれず、これらの抵抗に起因する誤差を排除することができる。従って、研磨加工部に作用する押圧力をより正確に検出可能な押圧力検出装置を提供することができる。
【００１２】
なお、カップリング部において駆動軸と研磨ヘッドとを回転軸と直交方向に延びる平行板ばねにより接続する構成によれば、駆動軸と研磨ヘッドとの接続部において摩擦抵抗や転がり抵抗を生じることがなく、押圧力の検出精度をさらに向上させることができる。また、駆動軸と研磨ヘッドの対向部に第１、第２反射部材を設け、基台側に光源と位置検出器を設けた構成によれば、回転体側に電子部品や電気配線等を設けることなく押圧力検出装置を構成することができ、これにより簡明な構成であり、かつ長期信頼性の高い押圧力検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の構成例として示す押圧力検出装置の概要構成図である。
【図２】本発明を適用した研磨装置の概要構成図である。
【図３】カップリング部を構成する板バネの構成例を示す平面図である。
【図４】(ａ)は駆動軸と研磨ヘッドとが一体的に上下移動したときの光路変化を示す説明図、(ｂ)は駆動軸と研磨ヘッドとが上下方向に相対変位したときの光路変化を示す説明図である。
【図５】(ａ)は図１中のV−V矢視方向に見た相対変位検出部の模式図、(ｂ)は相対変位検出部の他の構成例を示す(ａ)と同一方向の矢視図である。
【図６】図５(ｂ)に示す相対変位検出部の正面方向から見た構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を適用した研磨装置の概要構成図を図２に示しており、まず研磨装置１の全体構成について概要説明する。
【００１５】
研磨装置１は、研磨対象物であるガラス基板や石英基板など（以下、基板という）Ｗを保持するワーク保持部１０と、ワーク保持部１０に対して研磨アーム２１を水平揺動させるアーム揺動機構２０、研磨アーム２１の先端部に回転可能かつ上下に移動可能に設けられワーク保持部１０に保持された基板Ｗと対向して配設される研磨ヘッド７０、研磨加工部にスラリーを供給するスラリー供給機構（不図示）、研磨ヘッド７０の回転及び上下移動、研磨アームの揺動、研磨加工部へのスラリーの供給など、研磨装置１の作動を制御する制御装置８０などを備えて構成される。
【００１６】
ワーク保持部１０は、基板Ｗを研磨対象面が上向きの水平姿勢で着脱自在に吸着保持する基板ホルダ１１と、この基板ホルダ１１と繋がって下方に延びる基板駆動軸１４と、基板駆動軸１４を介して基板ホルダ１１を回転駆動する基板回転機構１５などから構成される。
【００１７】
ワーク保持部１０と隣接してアーム揺動機構２０が設けられ、アーム揺動機構２０の研磨アーム２１の先端部に研磨ヘッド７０が設けられる。アーム揺動機構２０は、研磨装置１のテーブルＴから上方に突出する基部２１ａ及び基部２１ａの上端部と繋がって水平に延びるアーム部２１ｂを有する研磨アーム２１と、この研磨アーム２１を水平揺動させるアーム揺動モータ２２を備えて構成される。ワーク保持部１０とアーム揺動機構２０とは、アーム揺動モータ２２により研磨アーム２１を水平揺動させたときの研磨ヘッド７０の揺動軌跡上に基板ホルダ１１が位置するように相互位置が規定される。そのため、研磨アーム２１を揺動して研磨ヘッド７０を基板ホルダ１１と対向させ、研磨パッドを基板Ｗに押接させた状態で揺動可能になっている。
【００１８】
アーム部２１ｂの先端側に、上下に延びる回転軸CLまわりに回転自在かつ回転軸方向（上下方向）に移動自在に駆動軸３０が配設され、この駆動軸３０の上方に、駆動軸３０を回転させるヘッド回転機構４０及び駆動軸３０を上下移動させるヘッド昇降機構５０が設けられ、駆動軸３０の下部に、カップリング部６０を介して研磨ヘッド７０が接続されている。なお、ヘッド回転機構４０、ヘッド昇降機構５０、カップリング部６０等については後に詳述する。
【００１９】
研磨ヘッド７０は、パッド保持部７２と、パッド保持部７２の中心から上方に延びるヘッド軸７４とを有し、ヘッド軸７４がカップリング部６０を介して駆動軸３０に接続される。パッド保持部７２の下面には研磨パッド７３が貼り付けられ、研磨面が下向きの水平姿勢で、ワーク保持部１０に保持された基板Ｗと対向して配設される。研磨パッド７３は、研磨対象物の材質や研磨加工の内容に応じて適宜選択して装着され、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタン製のパッドが用いられる。
【００２０】
このように概要構成される研磨装置１では、アーム揺動機構２０により研磨アーム２１を水平揺動させて研磨ヘッド７０をワーク保持部１０の上方に移動させ、ワーク保持部１０の基板回転機構１５及びヘッド回転機構４０により基板ホルダ１１及び研磨ヘッド７０を回転させ、ヘッド昇降機構５０により研磨ヘッド７０を下降させて研磨パッド７３を基板Ｗに押接させて、加工液供給装置から研磨加工部にスラリーを供給しながら研磨パッド７３を水平揺動させることにより、基板Ｗの研磨対象面をＣＭＰ加工することができる。
【００２１】
この研磨装置１において、カップリング部６０を中心として、基板Ｗに対する研磨パッドの押圧力（研磨荷重）を検出する押圧力検出装置１００が設けられている。図１に、駆動軸３０を回転させるヘッド回転機構４０、駆動軸３０を上下移動させるヘッド昇降機構５０、駆動軸３０とヘッド軸とを接続するカップリング部６０を含み、押圧力検出装置１００の概要構成を示しており、以下、この図１を参照しながら押圧力検出装置１００について詳細に説明する。
【００２２】
駆動軸３０は、大別的には、回転軸CLに沿って上下に延びる円柱ロッド状の軸部３１と、この軸部３１の下部に下方に開いて設けられた有底円筒状の外筒部３２とからなり、例えば、ステンレス合金等の金属材料の棒材を旋削して軸部３１と外筒部３２とを形成した後、軸線CLを中心とした同一軸上に連結されて一体的に構成される。
【００２３】
研磨アーム２１の内部には、各機構の取り付けベースとなる支持フレーム部２３，２４が形成されている。駆動軸３０は、軸部３１においてボールスプライン２５に支持されるとともに、このボールスプライン２５のハウジングと支持フレーム部２４との間に設けられたボールベアリング２６を介して支持フレーム部２４に支持されている。このため、駆動軸３０は、ボールスプライン２５の作用により支持フレーム部２３，２４に対して上下移動自在に配設され、ボールベアリング２６の作用によりボールスプライン２５とともに支持フレーム部２３，２４に対して回転自在に配設される。なお支持フレーム部２３，２４は一体的に連結固定されている。
【００２４】
ヘッド回転機構４０は、支持フレーム部２３に固定されたヘッド駆動モータ４１と、ヘッド駆動モータのスピンドルに固定されたタイミングプーリ４２、ボールスプライン２５のハウジングに固定されたタイミングプーリ４３、及びこれらのタイミングプーリ４２，４３に巻きかけられたタイミングベルト４４などから構成される。このような構成のヘッド回転機構４０では、ヘッド駆動モータ４１を回転駆動したときにスピンドルの回転がタイミングベルト４４を介してボールスプライン２５のハウジングに伝達され、ボールスプライン２５とともに駆動軸３０が回転される。
【００２５】
ヘッド昇降機構５０は、シリンダボディが支持フレーム部２３に固定され、ピストンロッドが駆動軸の軸部３１に接続された昇降シリンダ５１を主体として構成される。昇降シリンダ５１のピストンロッドと駆動軸の軸部３１とは、回転軸方向の力を伝達可能なスラストベアリング（不図示）を介して接続されており、ピストンロッドの伸縮による上下方向の力すなわち昇降シリンダ５１の推力が駆動軸３０に伝達される一方、駆動軸３０の回転に伴う角度方向の力が昇降シリンダ５１に伝わらないようになっている。そのため、昇降シリンダ５１のチューブ側シリンダ室にエアを供給してピストンロッドを伸張させ、またはロッド側シリンダ室にエアを供給してピストンロッドを縮小させることにより、ヘッド回転機構４０により回転駆動された状態の駆動軸３０を上下移動させることができる。
【００２６】
このように上下移動可能に配設された駆動軸３０に、カップリング部を介して研磨ヘッド７０が接続される。カップリング部は、駆動軸３０と研磨ヘッド７０とを回転軸CLまわりに一体回転させる一方、回転軸CLが延びる方向すなわち上下方向には駆動軸３０と研磨ヘッド７０とを弾性的に相対変位可能に接続するように構成される。
【００２７】
このような機能を備えたカップリング部の構成例として、図１には平行板ばねを用いた構成を示しており、このカップリング部６０は、駆動軸３０に設けられて下方に開く有底円筒状の外筒部３２と、研磨ヘッド７０に設けられて上方に延びるヘッド軸７４と、外筒部３２内において回転軸CLと直交方向に延び、外筒部３２とヘッド軸７４とを接続する複数（図１において２枚）の板バネ６１とから構成される。
【００２８】
上下平行に設けられた板ばね６１は、例えば図３(ａ)(ｂ)(ｃ)に示すように、薄板金属材料の円盤に円弧溝状のスリット６２を複数形成し、あるいは扇状の打ち抜き開口６３を複数形成し、または帯板状の板ばね６４を複数組み合わせるなどにより、所要の弾性係数（バネ定数）に応じて材質や板厚、形状を適宜調整して構成される。外筒部３２及びヘッド軸７４は、この上下の板バネ６１の配設間隔に合わせた寸法の間隔保持部材を挟んで上下複数に分割して形成されており、分割された上下の外筒部材（軸部材）と間隔保持部材との間に板バネ６１を挟んでこれらを一体的に連結固定することにより、ヘッド軸７４が駆動軸３０の軸心に位置して外筒部３２の内部に配設され、上下の板バネ６１，６１が平行に配設された一体のカップリング部６０が形成される。
【００２９】
カップリング部６０が形成されると、研磨ヘッド７０は、平行板ばねの作用により駆動軸３０に対して回転軸方向には所定の弾性係数で相対変位可能に接続され、回転角度方向には板バネ６１の剛性により相対変位することなく（変位量が極めて微小であり）駆動軸３０と研磨ヘッド７０とが一体的に回転される。このとき、ヘッド軸７４は、平行板バネの作用により回転軸CLに沿って鉛直に上下移動する。なお、基板Ｗが平行平板でないような場合、例えば、大きな曲率を有する曲面であるような場合には、ヘッド軸７４とパッド保持部７２とを球面軸受けを介して接続することにより、ヘッド軸７４が傾斜することなく回転軸CLに沿って鉛直に上下移動する。
【００３０】
押圧力検出装置１００は、このカップリング部６０における駆動軸３０と研磨ヘッド７０との回転軸方向の相対変位量を非接触で検出する相対変位検出部１１０と、相対変位検出部１１０により検出された相対変位量及び予め設定されたカップリング部６０の弾性係数に基づいて研磨パッド７３の押圧力を算出する演算処理部１２０とにより構成される。演算処理部１２０は、マイクロコンピュータを利用して構成される制御装置８０に設けられており、制御装置８０内のメモリーにカップリング部６０の回転軸方向の弾性係数（上下の板バネ６１，６１により構成される平行板バネのバネ定数）ｋが予め設定され記憶されている。
【００３１】
相対変位検出部１１０は、カップリング部において対向する駆動軸３０および研磨ヘッド７０の対向部に設けられ、回転軸CLを含む平面（軸平面）において反射面が同一の傾斜角で平行に配設された第１反射部材１１１及び第２反射部材１１２と、これらの反射部材の対向部の外周側に位置して支持フレーム部２４に設けられ、軸平面において回転軸に直交する水平方向にプローブ光ＰＢを出射して第１反射部材を照明する光源１１５、および回転軸CLを挟んで光源１１５と反対側に設けられプローブ光が第１反射部材１１１および第２反射部材１１２に反射されて出射する反射光ＲＢを受光して当該反射光の位置を検出する位置検出器１１６とから構成される。
【００３２】
図１に示す構成形態では、第１反射部材１１１及び第２反射部材１１２として反射鏡を用い、第１反射部材１１１を回転軸CLに対して４５度の傾斜角でヘッド軸７４の上端に固定し、第２反射部材１１２をその直上に位置する外筒部３２の底部中心に同一の傾斜角で反斜面が平行に対向するように固定した場合を例示する。なお、反射部材１１１，１１２はプリズム等を用いてもよく、第１反射部材１１１及び第２反射部材１１２の傾斜角は反斜面が対向して平行に配設されれば他の角度（例えば６０度等）であってもよい。
【００３３】
光源１１５は、支持フレーム部２４に固定されて下方に延びるステー１１７の下端に設けられており、例えば、ＬＥＤあるいはレーザダイオード等を用い、回転軸CLに向けて出射されるプローブ光ＰＢが平行光若しくはわずかに収束光となるように、ビーム発散角を調整する光学系を必要に応じて付設して構成される。
【００３４】
位置検出器１１６は、回転軸CLを挟んで光源１１５と反対側、すなわち、平面視において光源１１５から出射されて回転軸CLを通るプローブ光ＰＢの光軸の延長線上に位置し、支持フレーム部２４から下方に延びるステー１１８の下端に設けられている。位置検出器１１６は、第１、第２反射部材１１１，１１２により反射されて水平に出射する反射光ＲＢを受光して、反射光ＲＢの回転軸方向の位置を検出するセンサであり、例えば、ＰＳＤ（Position  Sensor  Diode）が用いられる。
【００３５】
外筒部３２には、前述した第１反射部材１１１及び第２反射部材１１２の反斜面が４５度の傾斜角で対向する軸平面（駆動軸３０が図１に示す角度位置の状態、便宜的に「計側角度面」という）において、第１反射部材１１１の反射面が配向する周面（図１において右方の周面）に、光源１１５から水平に出射されたプローブ光ＰＢを外筒部３２内の第１反射部材１１１に導入する光導入部３３が開口形成され、第２反射部材１１２の反射面が配向する周面（図１において左方の周面）に、第１反射部材１１１及び第２反射部材１１２に反射されて水平に伝播する反射光ＲＢを外筒部３２から導出する光導出部３４が開口形成されている。なお、光導入部３３及び光導出部３４に、光源１１５から出射された光を透過する窓部材（例えばガラス窓）を設けてもよい。
【００３６】
このため、光源１１５から回転軸に向けて水平に出射されたプローブ光ＰＢは、駆動軸３０が計測角度面の角度位置にあるときに、光導入部３３から外筒部３２内に入射し、反斜面が平行に対向配置された一対の平行ミラーを構成する第１反射部材１１１及び第２反射部材１１２に反射され、この反射光ＲＢが光導出部３４から位置検出器１１６に入射する。位置検出器１１６は、検出した反射光の回転軸方向の位置に応じた検出信号を演算処理部１２０に出力する。
【００３７】
ここで、研磨パッド７３と基板Ｗとが当接していない状態、又は、研磨パッド７３と基板Ｗとの間の荷重が変化しないで曲率を有する基板Ｗ面上を揺動する状態では、駆動軸３０を上下移動させても板バネ６１に作用する荷重は変化しない。このためカップリング部６０を介して接続された駆動軸３０と研磨ヘッド７０とが一体的に上下し、第１反射部材１１１と第２反射部材１１２とは相対位置関係を保持した状態で上下移動する。図４(ａ)は、このときの光路変化を示したものであり、第１反射部材１１１及び第２反射部材１１２が上下移動しても平行ミラーの作用により位置検出器１１６に入射する反射光ＲＢの軸方向位置は変化しない。
【００３８】
一方、研磨パッド７３が基板Ｗに当接した状態から、駆動軸３０を下動させて研磨パッド７３を基板Ｗに押圧すると、板バネ６１の中心部に上向きの荷重が作用して弾性変形し、外筒部３２に対してヘッド軸７４が回転軸方向に相対変位する。研磨パッド７３と基板Ｗとの当接部には、外筒部３２とヘッド軸７４との相対変位量ｘと、平行板バネのバネ定数ｋとの積に相当する荷重Ｆ（Ｆ＝ｋｘ）が作用する。
【００３９】
図４(ｂ)は、上記のように駆動軸３０と研磨ヘッド７０とが回転軸方向に相対変位したときの光路変化の状況を示したものであり、外筒部３２に設けられた第２反射部材１１２に対して、ヘッド軸７４に設けられた第１反射部材１１１が上方に移動したときの変化を一点鎖線で示し、第１反射部材１１１が下方に移動したときの変化を二点鎖線で示している。この図から明らかなように、第１反射部材１１１が上下にｘだけ相対変位すると、位置検出器１１６に入射する反射光は、上下逆方向に同一変位量ｘだけ変位する。従って、位置検出器１１６において検出される反射光ＲＢの位置を検出し、その変化量を算出することにより駆動軸３０と研磨ヘッド７０との相対変位量ｘを求めることができる。このことから解るように、光源１１５と位置検出器１１６の配置は逆であってもよい。
【００４０】
位置検出器１１６において検出された反射光ＲＢの位置の検出信号は演算処理部１２０に入力されており、演算処理部１２０は、駆動軸３０の回転に伴って断続的に入力される検出信号から駆動軸３０と研磨ヘッド７０との回転軸方向の相対変位量ｘを逐次求め、求められた相対変位量ｘと、メモリー内に予め設定記憶されていたカップリング部６０の弾性係数ｋとに基づいて、基板Ｗに対する研磨パッド７３の押圧力、すなわち研磨荷重Ｆを算出する。
【００４１】
制御装置８０は、このようにして算出された研磨荷重Ｆと、基板Ｗの加工プログラムにおいて設定された研磨荷重（荷重指令）とを対比し、その対比結果に基づいて昇降シリンダ５１に供給するエアの圧力をフィードバック制御する。これにより、基板Ｗは加工プログラムにおいて設定された研磨荷重で高精度に研磨加工される。
【００４２】
なお、図４中に第１反射部材１１１および第２反射部材１１２の反斜面の傾斜角θを付記したが、本構成形態のように傾斜角θ＝４５度とした場合に、駆動軸３０及び研磨ヘッド７０の相対変位量ｘと、位置検出器１１６に入射する反射光ＲＢの位置の変化量とが同一となり、押圧力検出装置の構成を小型かつ簡明に構成できる。一方、傾斜角θを４５度よりも大きく設定した場合（例えばθ＝６０度とした場合）には、駆動軸３０と研磨ヘッド７０との相対変位量ｘに対して、位置検出器１１６に入射する反射光ＲＢの回転軸方向の位置変化量が拡大される。よって、このような構成によれば、研磨荷重をより高精度に検出し、フィードバック制御することが可能となる。
【００４３】
以上では、第１反射部材１１１および第２反射部材１１２を回転軸CL上に対向配設して一対の平行ミラーを構成した例を示したが、第１反射部材１１１および第２反射部材１１２は、回転軸から離れた位置に、一対もしくは複数対設けて構成することも可能である。図５(ａ)に、図１中のV−V矢視方向に見た模式図を比較対象として示すとともに、他の構成形態の相対変位検出部１１０´を(ａ)と同一方矢視方向に見た矢視図を図５(ｂ)に示し、正面方向から見た構成図を図６に示す。
【００４４】
この相対変位検出部１１０´では、ヘッド軸７４の上部に外筒部３２の底面と対向して円盤状の反射部材支持部７５が固定されており、この反射部材支持部７５と外筒部３２の底面の所定半径位置に、第１反射部材１１１および第２反射部材１１２が、奇数対（図５において３対）、等角度ピッチで対向配置される。各第１反射部材１１１の反斜面が配向する外筒部３２の周面及び各第２反射部材１１２の反斜面が配向する外筒部３２の周面には、それぞれ回転軸CLを通る直線上に位置して光導入部３３及び光導出部３４が開口形成されている。
【００４５】
そのため、光源１１５から回転軸CLに向けて水平に出射され、光導入部３３から外筒部内に導入されたプローブ光ＰＢが、第１、第２反射部材１１１，１１２に反射されて平面視において回転軸CL上を通り、光導出部３４から水平に出射して位置検出器１１６に入射する。駆動軸３０と研磨ヘッド７０との相対変位は、既述した押圧力検出装置１００と同様に検出される。このような構成によれば、駆動軸３０が一回転する間に、第１、第２反射部材１１１，１１２の配設対の数に応じて複数の検出信号が取得できる。従ってこのような構成によれば、駆動軸３０と研磨ヘッド７０との相対変位、すなわちこれに基づいて算出される研磨荷重及びその時間変化を、より短い時間インターバルで検出でき、より高速のフィードバック制御が可能となる。
【００４６】
以上説明したように、本発明の押圧力検出装置１００においては、支持フレーム部２３，２４に回転自在かつ回転軸方向に移動自在に支持されて駆動される駆動軸３０に対し、この駆動軸３０と研磨ヘッド７０とを回転軸方向にのみ弾性的に相対変位可能に接続するカップリング部６０を設け、このカップリング部６０において駆動軸３０と研磨ヘッド７０との相対変位を相対変位検出部１１０により非接触で検出し、検出された相対変位量およびカップリング部の弾性係数に基づいて研磨荷重が算出される。そのため、算出された研磨荷重に、昇降シリンダ５１の摺動抵抗やボールベアリング２６、ボールスプライン２５の転がり抵抗などの損失成分が含まれるようなことがなく、これらの抵抗に起因する誤差を排除して研磨荷重を正確に検出することができる。これにより研磨加工のプレストン方程式の圧力項を一定あるいはダイナミックに制御することが可能となり、研磨性能・研磨加工精度を向上させることができる。
【００４７】
また、カップリング部６０において駆動軸３０と研磨ヘッド７０とを板ばね６１で接続することにより、この接続部に抵抗成分を含むようなこともなく、研磨荷重の検出精度を向上させることができる。さらに、第１、第２反射部材１１１，１１２が外筒部３２の内部上方に設けられているため、スラリー等が反斜面に付着して検出精度が低下するようなことがなく、高い検出精度を長期間安定的に維持することができる。
【００４８】
なお、以上説明した実施形態では、相対変位検出部として、光源１１５から出射した光がカップリング部６０において回転軸CLの軸心を通る構成を例示したが、軸心から離れた位置を通るよう構成し、これに合わせた半径位置に一対の平行ミラー１１１，１１２を対向配置してもよい。また、一対の平行ミラー１１１，１１２と光源１１５及び位置検出器１１６で構成した場合を例示したが、相対変位検出部は、駆動軸３０と研磨ヘッド７０との相対変位量を非接触で検出可能であればよく、例えば外筒部３２に対するヘッド軸７４の相対移動量を、静電容量式センサや磁気センサ等により検出するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
CL  回転軸
Ｗ  基板（研磨対象物）
ＰＢ  プローブ光
ＲＢ  反射光
１  研磨装置
１０  ワーク保持部
２３，２４  支持フレーム部（基台）
３０  駆動軸（３１：軸部、３２：外筒部）
４０  ヘッド回転機構
５０  ヘッド昇降機構
６０  カップリング部（６１：板バネ）
７０  研磨ヘッド（７３：研磨パッド、７４：ヘッド軸）
１００  押圧力検出装置
１１０、１１０´  相対変位検出部（相対変位検出手段）
１１１  第１反射部材
１１２  第２反射部材
１１５  光源
１１６  位置検出器
１２０  演算処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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