(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多角形状を有したワークピースを研磨するための化学機械研磨装置であって、
湾曲した縦断面を有する環状研磨面を有する研磨パッドと、
前記研磨パッドを支持する回転可能な研磨テーブルと、
前記ワークピースを保持するワークピース保持部と、
前記ワークピース保持部を前記ワークピースの軸心まわりに回転させる回転装置と、
前記ワークピースの周縁部を前記環状研磨面に押し付ける押圧装置と、
前記環状研磨面に研磨液を供給する研磨液供給ノズルと、
前記ワークピースの回転角度に従って、前記回転装置が前記ワークピースを回転させる速度を変化させる動作制御部とを備え、
前記押圧装置は、前記研磨テーブルの半径方向において、前記ワークピース保持部よりも内側に配置されていることを特徴とする化学機械研磨装置。
【請求項２】
前記ワークピースの周縁部の研磨状態を監視する研磨状態監視装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
【請求項３】
前記研磨パッドは、環状の形状を有しており、
前記環状研磨面は前記研磨パッドの内周面から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属筐体などのワークピースを研磨して鏡面仕上げするための化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機能性やデザイン上の観点から、平面と曲面とを組み合わせた立体的な表面形状を有するワークピースに鏡面仕上げを施す要請がある。そのようなワークピースの例としては、アルミニウムやステンレス鋼などから形成される金属筐体部品、または樹脂筐体部品が挙げられる。これら金属筐体部品および樹脂筐体部品は、例えば、携帯電話、スマートフォン、多機能携帯端末、携帯ゲーム機、カメラ、時計、音楽メディアプレーヤー、パソコン、電子機器、自動車部品、装飾品、医療機器などに用いられるものである。【０００３】
従来のラップ技術やポリッシュ技術では、平面を研磨して鏡面仕上げすることはできるが、曲面の鏡面仕上げをラップ技術およびポリッシュ技術で行うことは非常に困難だった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、曲面から構成される周縁部を有するワークピースを鏡面研磨することができる化学機械研磨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】
【０００５】
本発明の一態様は、多角形状を有したワークピースを研磨するための化学機械研磨装置であって、湾曲した縦断面を有する環状研磨面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドを支持する回転可能な研磨テーブルと、前記ワークピースを保持するワークピース保持部と、前記ワークピース保持部を前記ワークピースの軸心まわりに回転させる回転装置と、前記ワークピースの周縁部を前記環状研磨面に押し付ける押圧装置と、前記環状研磨面に研磨液を供給する研磨液供給ノズルと、前記ワークピースの回転角度に従って、前記回転装置が前記ワークピースを回転させる速度を変化させる動作制御部とを備え、前記押圧装置は、前記研磨テーブルの半径方向において、前記ワークピース保持部よりも内側に配置されていることを特徴とする。【０００６】
本発明の好ましい態様は、前記ワークピースの周縁部の研磨状態を監視する研磨状態監視装置をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨パッドは、環状の形状を有しており、前記環状研磨面は前記研磨パッドの内周面から形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ワークピースの周縁部は環状研磨面との摺接により研磨される。環状研磨面は湾曲した縦断面を有するので、ワークピースの周縁部を構成する曲面は環状研磨面に均一に接触し、鏡面に研磨される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る化学機械研磨装置を示す側面図である。
【図２】図１に示す化学機械研磨装置の平面図である。
【図３】回転角度が０度のときの矩形状のワークピースを示す図である。
【図４】回転角度が４５度のときの矩形状のワークピースを示す図である。
【図５】ワークピースの回転角度とワークピースの回転速度との関係を示すグラフである。
【図６】複数の研磨ヘッドを備えた化学機械研磨装置を示す平面図である。
【図７】ワークピースの周縁部の表面状態を監視する表面状態監視装置を備えた化学機械研磨装置を示す側面図である。
【図８】研磨テーブルを回転させるテーブルモータに供給される電流を監視するモータ電流計を備えた化学機械研磨装置を示す側面図である。
【図９】他の実施形態に係る化学機械研磨装置を示す側面図である。
【図１０】図９に示す化学機械研磨装置の平面図である。
【図１１】さらに他の実施形態に係る化学機械研磨装置を示す側面図である。
【図１２】図１１に示す化学機械研磨装置の平面図である。
【図１３】図１１および図１２に示す研磨ヘッドを複数備えた化学機械研磨装置の一実施形態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る化学機械研磨装置を示す側面図であり、図２は、化学機械研磨装置の平面図である。化学機械研磨装置は、環状研磨面２ａを有する研磨パッド２と、研磨パッド２を支持する回転可能な研磨テーブル３と、環状研磨面２ａに研磨液を供給する研磨液供給ノズル５と、ワークピースＷの周縁部を研磨パッド２の環状研磨面２ａに押し付けてワークピースＷの周縁部を研磨する研磨ヘッド１とを備えている。
【００１０】
ワークピースＷの周縁部は曲面から構成されている。環状研磨面２ａは、内側に湾曲した縦断面を有しており、環状研磨面２ａの縦断面は、ワークピースＷの周縁部の縦断面に沿った形状を有している。環状研磨面２ａの湾曲した縦断面の曲率は、ワークピースＷの周縁部の縦断面の曲率と同じか、やや大きい。
【００１１】
研磨ヘッド１は、ワークピースＷを保持するワークピース保持部１１と、ワークピース保持部１１をワークピースＷの軸心まわりに回転させる回転装置としてのサーボモータ１５と、サーボモータ１５を研磨パッド２の中心に向かって押すことでワークピース保持部１１に保持されたワークピースＷの周縁部を環状研磨面２ａに押し付ける押圧装置としてのエアシリンダ１４とを備えている。
【００１２】
本実施形態の研磨パッド２は円盤状であり、環状研磨面２ａは研磨パッド２の外周面の少なくとも一部を構成している。研磨パッド２は研磨テーブル３の上面に取り付けられている。研磨テーブル３はその軸心を中心としてテーブルモータ１８によって回転されるようになっており、研磨パッド２はその軸心を中心として研磨テーブル３と一体に回転する。
【００１３】
ワークピース保持部１１は、ねじ止め、磁力、真空吸引、冷凍固定、真空吸着チャックなどによりワークピースＷを着脱可能に保持できるように構成されている。ワークピース保持部１１は、ワークピースＷを水平に保持するように構成されている。
【００１４】
ワークピース保持部１１はサーボモータ１５に連結されている。サーボモータ１５は、ワークピース保持部１１および該ワークピース保持部１１に保持されたワークピースＷをそれらの軸心まわりに回転させる回転装置である。サーボモータ１５には、ワークピース保持部１１およびワークピースＷの回転角度を測定するロータリエンコーダ（図示せず）が内蔵されている。
【００１５】
サーボモータ１５は、水平に延びるリニアガイド２０に保持されており、リニアガイド２０の長手方向に沿って水平方向に移動可能となっている。リニアガイド２０の長手方向は、研磨パッド２の半径方向に平行であり、サーボモータ１５、ワークピース保持部１１、およびワークピースＷは、研磨パッド２の半径方向に移動可能である。
【００１６】
サーボモータ１５は、エアシリンダ１４に接続されている。このエアシリンダ１４は、サーボモータ１５、ワークピース保持部１１、およびワークピースＷを一体に水平方向（すなわち、研磨パッド２の半径方向）に移動させるように構成されている。より具体的には、エアシリンダ１４は、ワークピースＷを研磨パッド２の環状研磨面２ａから離間させる方向および環状研磨面２ａに近づける方向に移動させることが可能である。
【００１７】
エアシリンダ１４がサーボモータ１５を研磨パッド２の中心に向かって押すと、ワークピース保持部１１およびワークピースＷはサーボモータ１５と一体に環状研磨面２ａに向かって移動し、ワークピースＷの周縁部は環状研磨面２ａに対して押し付けられる。ワークピースＷの周縁部が環状研磨面２ａに対して押し付けられる力は、エアシリンダ１４によって調整される。
【００１８】
エアシリンダ１４およびサーボモータ１５には、動作制御部２５が接続されている。この動作制御部２５は、エアシリンダ１４およびサーボモータ１５の動作を制御するように構成される。より具体的には、動作制御部２５は、エアシリンダ１４が発生する力、すなわちワークピースＷの周縁部が環状研磨面２ａに対して押し付けられる力を制御し、さらにサーボモータ１５がワークピースＷを回転させる速度を制御する。
【００１９】
リニアガイド２０およびエアシリンダ１４は、ベース２７に固定されている。このベース２７はその鉛直方向の位置を調整するための位置決め機構２９に連結されている。エアシリンダ１４、リニアガイド２０、およびワークピース保持部１１の鉛直方向の位置は、位置決め機構２９によって調整される。したがって、ワークピース保持部１１に保持されたワークピースＷの環状研磨面２ａに対する相対的な鉛直方向の位置も、位置決め機構２９によって調整される。
【００２０】
研磨液供給ノズル５の供給口は、研磨パッド２の環状研磨面２ａを向いており、環状研磨面２ａにスラリーなどの研磨液を供給するように構成されている。研磨液供給ノズル５の供給口は、研磨パッド２および研磨テーブル３の回転方向においてワークピースＷの上流側に配置されている。したがって、研磨液供給ノズル５から供給された研磨液は、回転する環状研磨面２ａによってワークピースＷの被研磨部である周縁部に運ばれる。
【００２１】
次に、化学機械研磨装置の研磨動作について説明する。研磨パッド２および研磨テーブル３を図１および図２に示すように回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液（スラリー）を研磨パッド２の環状研磨面２ａに供給する。さらに、ワークピース保持部１１およびワークピースＷをサーボモータ１５により回転させる。この状態で、エアシリンダ１４は、サーボモータ１５、ワークピース保持部１１、およびワークピースＷを研磨パッド２の中心に向かって押し、ワークピースＷの周縁部を環状研磨面２ａに対して押し付ける。ワークピースＷの周縁部は、研磨液の存在下で環状研磨面２ａに摺接される。ワークピースＷの周縁部は、研磨液の化学的成分と、研磨液に含まれる砥粒により、鏡面に研磨される。環状研磨面２ａは、ワークピースＷの周縁部の縦断面に沿った縦断面を有するので、ワークピースＷの周縁部を構成する曲面は環状研磨面２ａに均一に接触し、鏡面に研磨される。
【００２２】
ワークピースＷが矩形状である場合、ワークピースＷの周縁部がその周縁部の全体に亘って均一に研磨されることが好ましい。そこで、動作制御部２５は、ワークピースＷの回転速度をワークピースＷの回転角度に従って変化させるように構成されている。図３は、回転角度が０度のときの矩形状のワークピースＷを示す図であり、図４は回転角度が４５度のときの矩形状のワークピースＷを示す図である。図５は、ワークピースＷの回転角度とワークピースＷの回転速度との関係を示すグラフである。図５の縦軸はワークピースＷの回転速度［角度／分］を表し、横軸はワークピースＷの回転角度を表している。ワークピースＷの回転角度が０度のときのワークピースＷは図３に示す状態であり、ワークピースＷの周縁部の直線部が研磨パッド２に接触している。図５に示すように、ワークピースＷが９０度回転するたびに、すなわち９０度の周期で、ワークピースＷの回転速度が低くなる。
【００２３】
ワークピースＷの回転角度は、サーボモータ１５に内蔵された上述のロータリエンコーダによって取得される。この回転角度の測定値は、ロータリエンコーダから動作制御部２５に送られる。動作制御部２５は、回転角度の測定値に基づいて、ワークピースＷの回転速度を変化させる。
【００２４】
図５に示す実施形態によれば、ワークピースＷと環状研磨面２ａとの接触時間は、ワークピースＷの周縁部の全体に亘って均一となる。したがって、研磨パッド２は、ワークピースＷの周縁部を均一に研磨することができる。
【００２５】
図６は、複数の研磨ヘッド１を備えた化学機械研磨装置を示す平面図である。図６に示すように、複数の研磨ヘッド１を研磨パッド２の周方向に沿って配列してもよい。複数の研磨液供給ノズル５は、複数の研磨ヘッド１にそれぞれ隣接して配置される。
【００２６】
ワークピースＷの周縁部の研磨状態を監視する研磨状態監視装置を設けてもよい。図７に示す実施形態では、研磨状態監視装置として、ワークピース保持部１１に保持されたワークピースＷの周縁部の表面状態を監視する表面状態監視装置３２が設けられている。この表面状態監視装置３２の例としては、ワークピースＷの周縁部を撮影するカメラ（例えば、ＣＣＤなどのイメージセンサを備えたデジタルカメラ）、ワークピースＷの周縁部から反射する光の強度を測定する光度計が挙げられる。
【００２７】
表面状態監視装置３２は、ワークピースＷの周縁部の表面状態を数値化し、得られた数値を動作制御部２５に送る。例えば、表面状態監視装置３２は、ワークピースＷの表面の色、凹凸、反射光の強度を数値として取得する。色の変化を検出しやすくするために、ワークピースＷの周縁部の表面に予め塗料を塗っておいてもよい。動作制御部２５は、表面状態監視装置３２から送られてくる数値（すなわち、ワークピースＷの周縁部の表面状態）に基づいて、ワークピースＷの研磨終点を決定する。
【００２８】
図８に示す実施形態では、研磨状態監視装置として、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ１８に供給される電流を監視するモータ電流計３３が設けられている。ワークピースＷの周縁部が研磨されてその表面が滑らかになると、ワークピースＷと研磨パッド２との間に作用する摩擦力が変化する。この摩擦力の変化は、テーブルモータ１８に供給される電流の変化として現れる。モータ電流計３３は、このテーブルモータ１８に流れる電流を計測し、その計測値を動作制御部２５に送る。動作制御部２５は、モータ電流計３３から送られてくる電流の計測値（すなわち、ワークピースＷの周縁部の表面状態）に基づいて、ワークピースＷの研磨終点を決定する。
【００２９】
図９は、さらに他の実施形態に係る化学機械研磨装置を示す側面図であり、図１０は、図９に示す化学機械研磨装置の平面図である。本実施形態では、環状の研磨パッド２が使用されている。環状研磨面２ａは環状の研磨パッド２の内周面から形成されている。環状研磨面２ａは、外側に湾曲した縦断面を有している。研磨液は、環状研磨面２ａよりも内側の領域に供給され、遠心力により外側に流れて環状研磨面２ａに達する。環状の研磨パッド２は、その環状研磨面２ａ上に研磨液を保持しやすいので、使用される研磨液の量を減らすことができる。
【００３０】
図１１は、さらに他の実施形態に係る化学機械研磨装置を示す側面図であり、図１２は、図１１に示す化学機械研磨装置の平面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１および図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、エアシリンダ１４は、研磨テーブル３（および研磨パッド２）の半径方向において、ワークピース保持部１１よりも内側に（好ましくはワークピース保持部１１の半径方向内側に沿って）配置されている。また、図１１では、すなわち、エアシリンダ１４は、研磨テーブル３および研磨パッド２の上方に位置しているが、研磨テーブル３および研磨パッド２の下方に位置していてもよい。エアシリンダ１４は、サーボモータ１５、ワークピース保持部１１、およびワークピースＷを研磨パッド２の中心に向かって移動させることによって、ワークピースＷの周縁部を環状研磨面２ａに対して押し付ける。
【００３１】
図１３は、図１１および図１２に示す研磨ヘッド１を複数備えた化学機械研磨装置の一実施形態を示す平面図である。それぞれの研磨ヘッド１のエアシリンダ１４は、研磨テーブル３および研磨パッド２の内側に位置しているので、図１３から分かるように、化学機械研磨装置の全体の幅を小さくすることができる。
【００３２】
図７に示す表面状態監視装置３２、および図８に示す表面状態監視装置の他の例としてのモータ電流計３３は、図１１乃至図１３に示す実施形態にも適用することができる。さらに、図９および図１０に示す環状の研磨パッド２を図１１乃至図１３に示す実施形態に適用してもよい。
【００３３】
上記実施形態では、ワークピースＷはその全体が矩形状であり、その周縁部は外側に湾曲した縦断面を有している。上述した実施形態に係る化学機械研磨装置は、その全体が多角形のワークピースの研磨に使用できるのみならず、全体が円形のワークピースの研磨にも使用することができる。
【００３４】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、金属筐体などのワークピースを研磨して鏡面仕上げするための化学機械研磨（ＣＭＰ）装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１      研磨ヘッド
２      研磨パッド
２ａ    環状研磨面
３      研磨テーブル
５      研磨液供給ノズル
１１      ワークピース保持部
１４      エアシリンダ
１５      サーボモータ
１８      テーブルモータ
２０      リニアガイド
２５      動作制御部
２７      ベース
２９      位置決め機構
３２      表面状態監視装置
３３      モータ電流計
Ｗ        ワークピース
【図１】
0006532884.tif 000002
【図２】
0006532884.tif 000003
【図３】
0006532884.tif 000004
【図４】
0006532884.tif 000005
【図５】
0006532884.tif 000006
【図６】
0006532884.tif 000007
【図７】
0006532884.tif 000008
【図８】
0006532884.tif 000009
【図９】
0006532884.tif 000010
【図１０】
0006532884.tif 000011
【図１１】
0006532884.tif 000012
【図１２】
0006532884.tif 000013
【図１３】
0006532884.tif 000014