CN101318359A - 切削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种切削装置，其能够将超声波振动以足够的振幅传递到切削刀具。切削装置包括卡盘工作台和切削构件，并且具有：刀具座，其安装在主轴端部并配置有超声波振子；和刀具夹持凸缘，其配置于刀具座并与刀具座夹持切削刀具，且配置有超声波振子，刀具座由以下部分构成：圆环状凸缘部，其在外周部侧面具有夹持面，并且该凸缘部具有超声波振子收纳部；和圆筒状安装部，其具有与主轴配合的配合孔，在凸缘部上在超声波振子收纳部与安装部之间形成有多个通孔，在刀具夹持凸缘上形成有与刀具座的安装部配合的配合孔，并在外周部侧面具有夹持面，该刀具夹持凸缘具有超声波振子收纳部，在刀具夹持凸缘的超声波振子收纳部与配合孔之间形成有多个通孔。
Description
技术领域
本发明涉及切削半导体晶片或光学器件晶片等被加工物的切削装置。
背景技术
在半导体器件制造工序中，在为大致圆板形状的半导体晶片的表面上，由呈格子状排列的称为间隔道的分割预定线划分出多个区域，并在该划分出的区域上形成IC(Integrated Circuit：集成电路)、LSI(large scaleintegration：大规模集成电路)等器件。然后，通过将半导体晶片沿间隔道切断，来分割形成有器件的区域，从而制造出一个个半导体芯片。另外，对于在蓝宝石基板的表面上层叠氮化镓系化合物半导体等而成的光学器件晶片，也沿间隔道进行切断，由此分割成一个个发光二极管、激光二极管、CCD(Charge-Coupled Device：电荷耦合器件)等光学器件，并广泛应用于电气设备。
上述晶片的沿间隔道的切断通常利用被称为切割机的切削装置来进行。该切削装置具有：保持晶片等被加工物的卡盘工作台；用于对在该卡盘工作台上保持的被加工物进行切削的切削构件；以及使卡盘工作台和切削构件相对移动的切削进给构件。切削构件包括主轴单元，该主轴单元具有：转动主轴；安装在该转动主轴上的切削刀具；及驱动转动主轴转动的驱动机构。在此类切削装置中，使切削刀具以20000～40000rpm的旋转速度转动，同时对切削刀具和保持在卡盘工作台上的被加工物相对地进行切削进给。
然而，形成有器件的晶片使用硅、蓝宝石、氮化硅、玻璃、钽酸锂等脆性硬质材料，在用切削刀具切削时，具有在切断面上产生缺陷、使器件的品质下降的问题。此外，蓝宝石等莫氏硬度高的晶片即便能用切削刀具来进行切削也是非常困难的。
为解决上述问题，提出了这样的切削装置：在切削刀具的表面上固定超声波振子，通过向该超声波振子施加交流电压，一边对切削刀具赋予超声波振动一边进行切削。(例如，参照专利文献1)
专利文献1：日本特开平2004-291636号公报
然而，却存在难以将超声波振子所产生的超声波振动以足够的振幅传递到切削刀具的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题而研制，其主要技术目的是提供可将超声波振子所产生的超声波振动以足够的振幅传递到切削刀具的切削装置。
为解决上述主要技术问题，根据本发明，提供一种切削装置，其具有：保持被加工物的卡盘工作台；和切削构件，其具有对保持在上述卡盘工作台上的被加工物进行切削的切削刀具，该切削构件包括：主轴，其可转动地支撑于主轴壳体；刀具座，其安装在上述主轴的端部，并且配置有对上述该切削刀具赋予超声波振动的超声波振子；以及刀具夹持凸缘，其配置于上述刀具座，并与上述刀具座夹持上述切削刀具，并且该刀具夹持凸缘上配置有对上述切削刀具赋予超声波振动的超声波振子，上述切削装置的特征在于，上述刀具座由以下部分构成：圆环状的凸缘部，其在外周部侧面具有夹持上述切削刀具的夹持面，并且该凸缘部具有收纳上述超声波振子的超声波振子收纳部；和圆筒状的安装部，其从上述凸缘部的中心部向侧方突出地形成，并具有与上述主轴配合的配合孔，在上述圆环状的凸缘部上，在上述超声波振子收纳部与上述安装部之间形成有多个通孔，上述刀具夹持凸缘在中央部形成有与上述刀具座的安装部配合的配合孔，并在外周部侧面具有夹持上述切削刀具的夹持面，并且该刀具夹持凸缘具有收纳超声波振子的超声波振子收纳部，在该超声波振子收纳部与该刀具夹持凸缘的上述配合孔之间形成有多个通孔。
在上述刀具座的该夹持面与上述刀具夹持凸缘的上述夹持面上，优选分别安装有紧贴部件。
根据本发明，由于在刀具座的凸缘部形成有多个通孔，并且在刀具夹持凸缘上形成有多个通孔，所以刀具座及刀具夹持凸缘的径向刚性减小，因而可传递上述超声波振子所产生的超声波振动而不会抑制其振幅。因此，在由刀具座和刀具夹持凸缘夹持的切削刀具上，作用有在径向具有大振幅的超声波振动。
附图说明
图1是根据本发明构成的切削装置的立体图。
图2是表示图1所示的切削装置上装备的主轴单元的一个实施方式的分解立体图。
图3是表示图1所示的切削装置上装备的主轴单元的一个实施方式的主要部分剖视图。
图4是在图3所示的主轴单元上安装的第一超声波振子的主视图。
图5是在图3所示的主轴单元上安装的第二超声波振子的主视图。
标号说明
2：装置壳体；3：卡盘工作台；4：主轴单元；41：主轴壳体；42：转动主轴；43：切削刀具；5：刀具座；51：凸缘部；52：安装部；6：刀具夹持凸缘；8a：第一超声波振子；81a：压电体；82a、83a：电极板；84a：绝缘体；8b：第二超声波振子；81b：压电体；82b、83b：电极板；84b：绝缘体；9：电压施加构件；91：受电构件；912：受电线圈；92：供电构件；922：供电线圈；93：交流电源；94：频率转换器；90：电压施加构件；97：发电线圈；99：永久磁铁；12：校准构件；13：显示构件；14：盒载置工作台；15：盒；16：临时放置工作台；17：搬出构件；18：第一输送构件；19：第二输送构件；20：清洗输送构件。
具体实施方式
下面参照附图来对根据本发明而构成的切削装置的优选实施方式更详细地进行说明。
在图1中表示根据本发明而构成的切削装置的立体图。图示实施方式中的切削装置具有大致长方体状的装置壳体2。在该装置壳体2内，保持被加工物的卡盘工作台3以可在作为切削进给方向的箭头X所示的方向上移动的方式配置。卡盘工作台3具有：吸附卡盘支撑台31；和在该吸附卡盘支撑台31上配置的吸附卡盘32，在该吸附卡盘32的作为上面的保持面上，通过使未图示的抽吸构件工作来抽吸保持被加工物。此外，卡盘工作台3构成为可通过未图示的转动机构转动。再有，在卡盘工作台3上配置有夹紧器33，该夹紧器33用于固定隔着保护带支撑作为被加工物的后述晶片的支撑框架。如此构成的卡盘工作台3通过未图示的切削进给构件，在箭头X所示的切削进给方向上移动。
图示实施方式中的切削装置具有作为切削构件的主轴单元4。该主轴单元4具有：安装在未图示的移动基座上、在作为分度方向的箭头Y所示的方向和作为切入方向的箭头Z所示的方向上进行移动调整的主轴壳体41；可自由转动地支撑于该主轴壳体41的转动主轴42；以及安装在该转动主轴42的前端部的切削刀具43。
参照图2至图5来对该切削刀具43及其安装构造进行说明。切削刀具43由砂轮刀构成，该砂轮刀通过将由金刚石等构成的磨粒用结合剂结合起来并形成为圆环状而成。作为该切削刀具使用：将磨粒混匀到树脂结合剂材料中、并成形为环状地烧制而成的树脂结合剂刀具；将磨粒混匀到金属结合剂材料中、并成形为环状地烧制而成的金属刀具；在由铝等形成的基座的侧面通过镍等的金属镀来结合磨粒而成的电铸刀具等。再有，形成为圆环状的切削刀具43的配合孔431的直径形成为与后述的刀具座5的安装部52配合的尺寸。
如上述那样构成的切削刀具43如图3所示那样被刀具座5和夹持凸缘6夹持固定，刀具座5安装在转动主轴42上，该转动主轴42可自由转动地支撑于切削装置的主轴壳体41，夹持凸缘6与该刀具座5对置地配置。刀具座5如图2及图3所示由以下部分构成：圆环状的凸缘部51；和从该凸缘部51的中心部向侧方突出地形成的圆筒状的安装部52。在凸缘部51的靠安装部52侧的侧面上，在外周部形成有夹持上述切削刀具43的环状夹持面511，且在该夹持面511的内周侧形成有环状凹部512，该环状凹部512具有收纳后述的第一超声波振子8a的超声波振子收纳部512a。再有，在夹持面511上安装有由合成树脂等构成的紧贴部件50。该紧贴部件50的硬度优选为肖氏D40以上。在如此形成的凸缘部51上的、超声波振子收纳部512a和安装部52之间，形成有多个通孔513，这一点很重要。该多个通孔513在图示实施方式中如图2所示由四个圆弧状的孔构成。在上述安装部52上形成有在轴向上贯穿的配合孔521，在上述安装部52上的前端部的外周面上形成有外螺纹522。再有，配合孔512的内周面形成为与在转动主轴42的前端部形成的带锥度的面421对应的带锥度的面。
上述刀具夹持凸缘6形成为具有配合孔61的圆环状。该配合孔61的直径形成为与上述刀具座5的安装部52配合的尺寸。此外，在刀具夹持凸缘6的与上述刀具座5的凸缘部51对置的侧面上，在外周部形成有夹持上述切削刀具43的环状夹持面62，并且在该夹持面62的内周侧形成有凹部63，该凹部63具有收纳后述第二超声波振子8b的超声波振子收纳部63a。再有，在夹持面62上，安装有由合成树脂等构成的紧贴部件60。该紧贴部件60的硬度优选为肖氏D40以上。在如此形成的刀具夹持凸缘6上的、超声波振子收纳部63a和配合孔61之间形成有多个通孔64，这一点很重要。该多个通孔64在图示实施方式中如图2所示由四个圆弧状的孔构成。
要利用上述刀具座5和刀具夹持凸缘6来固定切削刀具43，如图3所示，使在刀具座5的安装部52上形成的配合孔512，与在转动主轴42的前端部形成的带锥度的面421配合。然后，通过将第一紧固螺母71螺合到在转动主轴42的前端部形成的外螺纹422上，来将刀具座5安装刀转动主轴42上。接着，使切削刀具43的配合孔431与刀具座5的安装部52配合。然后，使刀具夹持凸缘6的配合孔61与刀具座5的安装部52配合。这样，在使切削刀具43和刀具夹持凸缘6与刀具座5的安装部52配合之后，通过将第二紧固螺母72螺合到在刀具座5的安装部52上形成的外螺纹522上，来在安装于刀具座5的环状夹持面511上的紧贴部件50和安装于刀具夹持凸缘6的环状夹持面62上的紧贴部件60之间夹持并固定切削刀具43。
图示实施方式中的作为切削构件的主轴单元4如图3所示具有：第一超声波振子8a，其配置在形成于刀具座5的凸缘部51上的环状凹部512的超声波振子收纳部512a中；和第二超声波振子8b，其配置在形成于刀具夹持凸缘6上的凹部63的超声波振子收纳部63a中。
第一超声波振子8a由以下部分构成：在转动主轴42的轴向上极化了的圆环状压电体81a；在该压电体81a的两侧极化面上安装的圆环状的两块电极板82a、83a；以及覆盖压电体81a及电极板82a、83a的绝缘体84a。压电体81a由钛酸钡、钛酸锆酸铅、钽酸锂等压电陶瓷形成。一块电极板82a如图3及图4所示具有使一部分沿绝缘体84b的内周面弯曲而成的电极端子821a。此外，另一电极板83a具有电极端子831a，该电极端子831a通过沿绝缘体84a的内周面弯曲而形成，该电极端子831a与在一块电极板82a上设置的电极端子821a以180度的相位设置。如此构成的第一超声波振子8a通过适当的粘接剂而安装在形成于刀具座5的凸缘部51上的环状凹部512的超声波振子收纳部63a中。
第二超声波振子8b由以下部分构成：在转动主轴42的轴向上极化了的圆环状压电体81b；在该压电体81b的两侧极化面上安装的圆环状的两块电极板82b、83b；以及覆盖压电体81b及电极板82b、83b的绝缘体84b。压电体81b与上述压电体81a同样地由钛酸钡、钛酸锆酸铅、钽酸锂等压电陶瓷形成。一块电极板82b如图3及图5所示具有使一部分沿绝缘体84b的内周面弯曲而成的电极端子821b。此外，另一电极板83b也具有电极端子831b，该电极端子831b通过沿绝缘体84b的内周面弯曲而形成，该电极端子831b与在一块电极板82b上设置的电极端子821b以180度的相位设置。如此构成的第二超声波振子8b通过适当的粘接剂而安装在形成于刀具夹持凸缘61上的凹部63的超声波振子收纳部63a中。
参照图3继续进行说明，图示实施方式中的作为切削构件的主轴单元4具有：露出于刀具座5的安装部52的外周面、且与上述第一超声波振子8a对置配置的电极端子101和102；以及露出于刀具座5的安装部52的外周面、且与上述刀具夹持凸缘6的内周面对置配置的电极端子111和112。电极端子101和102彼此以180度的相位配置，一个电极端子101通过引线103而与构成上述第一超声波振子8a的一块电极板82a的电极端子821a连接，另一电极端子102通过引线104与构成第一超声波振子8a的另一电极板83a的电极端子831a连接。此外，电极端子111和112彼此以180度的相位配置，一个电极端子111与在上述刀具夹持凸缘6的内周面配置的电极114接触，另一电极端子112与电极115接触，该电级115在上述刀具夹持凸缘6的内周面上与上述电极114以180的相位配置。再有，电极114通过引线116与构成上述第二超声波振子8b的一块电极板82b的电极端子821b连接，电极115通过引线117与构成第二超声波振子8b的另一电极板83b的电极端子831b连接。
图示实施方式中的作为切削构件的主轴单元4具有对上述第一超声波振子8a和第二超声波振子8b施加交流电压的电压施加构件9。电压施加构件9具有：在刀具座5上配置的受电构件91；和与该受电构件91对置配置、且安装在主轴壳体41的前端面上的供电构件92。受电构件91由转子侧芯911和受电线圈912构成，所述转子侧芯911具有环状的槽911a，该转子侧芯911配合在配合凹部514中，该配合凹部514形成在刀具座5上的与形成上述环状凹部512的面相反一侧的面上，即形成在刀具座5上的与主轴壳体41对置的面上，所述受电线圈912配置在该转子侧芯911的环状的槽911a内。如此构成的受电构件91的受电线圈912的一端912a经在刀具座5上配置的导线913而与上述电极端子101、111连接。此外，受电线圈912的另一端912b经配置在刀具座5上的导线914而与上述电极端子102、112连接。再有，上述导线913、914及电极端子101、102、111、112、114、115隔着未图示的绝缘部件配置于刀具座5及刀具夹持凸缘6。
上述供电构件92由在与受电构件91对置的面上具有环状的槽921a的定子侧芯921、和在该定子侧芯921的环状的槽921a内配置的供电线圈922构成。再有，定子侧芯921通过安装螺栓923安装在主轴壳体41的前端面上。如此构成的供电构件92的供电线圈922经电气配线924、925而与交流电源93连接。再有，图示实施方式中的电压施加构件9具有转换交流电源的频率的频率转换器94。如上述那样构成的受电构件91和供电构件92构成旋转变压器。
图2至图5所示的电压施加构件9如以上那样构成，下面对其作用进行说明。在从交流电源93通过频率转换器94而转换为预定频率的交流电压施加到供电构件92的供电线圈922上时，经过转动的受电构件91的受电线圈912、导线913、电极端子101、引线103及导线914、电极端子102、引线104，向第一超声波振子8a的电极板82a与电极板83a之间，施加预定频率的交流电压，并且经导线913、电极端子111、电极端子114、引线116及导线914、电极端子112、电极端子115、引线117向，第二超声波振子8b的电极板82b与电极板83b之间，施加预定频率的交流电压。其结果为，第一超声波振子8a和第二超声波振子8b在径向上反复移位地进行超声波振动。因此，安装了第一超声波振子8a和第二超声波振子8b的刀具座5及刀具夹持凸缘6也在径向上进行超声波振动，刀具座5及刀具夹持凸缘6所夹持的切削刀具43在径向上进行超声波振动。再有，在图示实施方式中，在刀具座5的凸缘部51上形成有多个通孔513，且在刀具夹持凸缘6上形成有多个通孔64，因此刀具座5及刀具夹持凸缘6的径向的刚性减小，所以，上述超声波振动所形成的振幅变大。因此，在由刀具座5和刀具夹持凸缘6夹持的切削刀具43上，作用有在径向上具有大振幅的超声波振动。此外，在图示实施方式中，紧贴部件50安装在刀具座5的环状夹持面511上、且紧贴部件60安装在刀具夹持凸缘6的环状夹持面62上，因此在与切削刀具43之间产生的滑动减少，所以在刀具座5及刀具夹持凸缘6上作用的超声波振动被有效地传递到切削刀具43。
本发明人等制作出在直径50mm的刀具座5上设置有四个通孔531(宽度为0.5mm、圆弧的长度为15mm)，且在直径50mm的刀具夹持凸缘6上设置四个通孔64(宽度为0.5mm、圆弧的长度为15mm)的部件，用钛酸锆酸铅形成构成第一超声波振子8a和第二超声波振子8b的压电体81a及压电体81b，使通过电压施加构件9施加的交流电压的频率为50kHz、使输入电压为150V，对切削刀具43来测量位移量。其结果为，切削刀具43以50kHz的频率在径向上移位(振幅)了6μm。再有，在上述刀具座5及刀具夹持凸缘6上不设置通孔的现有装置中，即使供给与上述同样的电力，切削刀具43的径向的位移(振幅)量也仅为0.2μm。
如上述那样构成的作为切削构件的主轴单元4，通过未图示的分度进给构件在图1中箭头Y所示的分度进给方向上移动，并通过未图示的切入进给构件在图1中箭头Z所示的切入进给方向上移动。
回到图1继续说明，图示实施方式中的切削装置具有用于对保持在上述卡盘工作台3上的被加工物的表面进行摄像、以检测应由上述切削刀具43来切削的区域的摄像构件12。该摄像构件12由显微镜和CCD照相机等光学构件构成。此外，切削装置具有显示由摄像构件22摄像得到的图像的显示构件13。
在上述装置壳体2的盒载置区域14a中，配置有载置收纳被加工物的盒的盒载置工作台14。该盒载置工作台14构成为可通过未图示的升降构件在上下方向上移动。在盒载置工作台14上，载置收纳被加工物W的盒15。在盒15中收纳的被加工物W在晶片的表面上形成有格子状的间隔道，在通过该格子状的间隔道划分而成的多个矩形区域中，形成有电容或LED、电路等器件。如此形成的被加工物W以背面粘贴在安装于环状支撑框架F的保护带T的表面上的状态收纳在盒15中。
此外，图示实施方式中的切削装置具有：搬出构件17，其将在盒载置工作台14上载置的盒15中所收纳的被加工物W(隔着保护带T支撑于环状框架F上的状态)搬出到临时放置工作台16上；第一输送构件18，其将搬出到临时放置工作台16上的被加工物W输送到上述卡盘工作台3上；清洗构件19，其对在卡盘工作台3上进行了切削加工的被加工物W进行清洗；以及第二输送构件20，其将在卡盘工作台3上进行了切削加工的被加工物W输送向清洗构件19。
对如此构成的切削装置的动作简单地进行说明。
在盒载置工作台14上载置的盒15的预定位置处收纳有被加工物W，盒载置工作台14通过未图示的升降构件而上下移动，上述被加工物W通过该移动而定位于搬出位置。接着，搬出构件17进行进退动作，将定位于搬出位置的被加工物W搬出到临时放置工作台16上。被搬出到临时放置工作台16上的被加工物W通过第一输送构件18的旋转动作而被输送到上述卡盘工作台3上。当被加工物W载置在卡盘工作台3上之后，未图示的抽吸构件工作，将被加工物W抽吸保持在卡盘工作台3上。此外，隔着保护带T支撑被加工物W的支撑框架F通过上述夹紧器被固定。如此保持了被加工物W的卡盘工作台3移动到摄像构件12的正下方。当卡盘工作台3定位于摄像构件12的正下方时，利用摄像构件12检测在被加工物W上形成的间隔道，对主轴单元4在作为分度方向的箭头Y方向上进行移动调节，来进行间隔道和切削刀具43的精密对位作业。
然后，在使切削刀具43在箭头Z所示的方向上进行预定量的切入进给、并在预定方向上转动的同时，使吸附保持了被加工物W的卡盘工作台3以预定的切削进给速度在作为切削进给方向的箭头X所示方向(与切削刀具43的转轴正交的方向)上移动，由此，保持在卡盘工作台3上的半导体晶片W被切削刀具43沿预定的间隔道切断。在该切削工序中，电压施加构件9被施力，如上所述第一超声波振子8a及第二超声波振子8b在径向上进行超声波振动。其结果为，经刀具座5及刀具夹持凸缘6，切削刀具43如上所述在径向上以大振幅进行超声波振动，因此切削刀具43所产生的切削阻力减小，所以即使晶片W是蓝宝石等难切削材料，也能够容易地进行切削。
如上所述，在沿预定的间隔道切断被加工物W之后，对卡盘工作台3在箭头Y所示的方向上以相当于间隔道间隔的量进行分度进给，并实施上述切断作业。然后，在沿被加工物W的在预定方向上延伸的所有间隔道实施切断作业之后，使卡盘工作台3转动90度，沿被加工物W的在与预定方向正交的方向上延伸的间隔道来执行切削作业，由此，在被加工物W上呈格子状地形成的所有间隔道都被切削而分割为一个个芯片。再有，分割而成的芯片通过保护带T的作用而不会散乱，保持由框架F支撑的晶片状态。
在如上述那样沿被加工物W的间隔道结束切断作业之后，保持有被加工物W的卡盘工作台3返回到最初抽吸保持被加工物W的位置。然后，解除被加工物W的抽吸保持。接着，被加工物W由第二输送构件20输送到清洗构件19。输送到清洗构件19的被加工物W在这里被清洗和干燥。如此被清洗和干燥后的被加工物W由第一输送构件18搬出到临时放置工作台14。然后，被加工物W通过搬出构件17收纳在盒15的预定位置处。因此，搬出构件17还具有作为将加工后的被加工物W搬入到盒15中的搬入构件的功能。
Claims (2)
1.一种切削装置，其具有：保持被加工物的卡盘工作台；和切削构件，其具有对保持在上述卡盘工作台上的被加工物进行切削的切削刀具，该切削构件包括：主轴，其可转动地支撑于主轴壳体；刀具座，其安装在上述主轴的端部，并且配置有对上述该切削刀具赋予超声波振动的超声波振子；以及刀具夹持凸缘，其配置于上述刀具座，并与上述刀具座夹持上述切削刀具，并且该刀具夹持凸缘上配置有对上述切削刀具赋予超声波振动的超声波振子，上述切削装置的特征在于，
上述刀具座由以下部分构成：圆环状的凸缘部，其在外周部侧面具有夹持上述切削刀具的夹持面，并且该凸缘部具有收纳上述超声波振子的超声波振子收纳部；和圆筒状的安装部，其从上述凸缘部的中心部向侧方突出地形成，并具有与上述主轴配合的配合孔，
在上述圆环状的凸缘部上，在上述超声波振子收纳部与上述安装部之间形成有多个通孔，
上述刀具夹持凸缘在中央部形成有与上述刀具座的安装部配合的配合孔，并在外周部侧面具有夹持上述切削刀具的夹持面，并且该刀具夹持凸缘具有收纳超声波振子的超声波振子收纳部，在该超声波振子收纳部与该刀具夹持凸缘的上述配合孔之间形成有多个通孔。
2.根据权利要求1所述的切削装置，其特征在于，
在上述刀具座的该夹持面与上述刀具夹持凸缘的上述夹持面上，分别安装有紧贴部件。
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