JP2005230964A

JP2005230964A - 研削装置

Info

Publication number: JP2005230964A
Application number: JP2004042680A
Authority: JP
Inventors: Akira Hattori; 昌服部; Hirohisa Yamada; 裕久山田
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】ワークのダメージ層を減少することができ、しかも、ワーク支持台の位置制御が容易で、研削装置の自動化が可能な研削装置を提供する。
【解決手段】研削装置1のワーク支持台送り手段4は、回転可能なねじ軸12およびねじ軸12に非接触状態で磁気的に結合された２つのナット体13,14からなる磁気ねじ11と、２つのナット体13,14間の距離を測定する相対変位測定手段16と、磁気ねじ11のねじ軸12の送りを制御する制御手段19とを有している。ワーク支持台3が磁気ねじ11の一方のナット体13に支持されるとともに、ワーク研削時にワークWが受ける研削抵抗に起因する２つのナット体13,14間の距離変化に基づいてねじ軸12の送りが制御されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、研削装置、さらに詳しくは、シリコン、サファイアなどの硬脆材料セラミックスなどの表面をサブミクロン以下の単位の精度を確保して研削するのに好適な研削装置に関する。

ＧａＮ系を利用した白色発光ダイオード（白色ＬＥＤ）に用いるサファイアウエハ等の半導体基板には、研削工程、ラップ工程およびポリッシング工程を経て所要の鏡面仕上げが施されている。ワーク支持台を定速で送るようになされた従来の研削装置を使用した場合、サファイアウエハには研削およびラップ終了時に数μｍ程度のダメージ層が生じ、最終のポリッシング工程でこのダメージ層を除去するに際し、１μｍ当たり約１時間を要することから、ポリッシング工程がＬＥＤ生産のネックとなっている。

そこで、特許文献１には、図６に示すように、砥石送り手段によって所定位置に保持されてワーク(W)を研削する回転砥石(72)と、ワーク(W)を支持するワーク支持台(73)と、ワーク支持台(73)をワーク(W)の被加工面と平行な方向に移動させるワーク支持台送り手段(74)とを備え、砥石送り手段（図示略）は、研削ヘッドをヘッド送りモータによって上下方向に移動させ、回転砥石を位置制御してワークに接近させる定寸送り手段とされ、ワーク支持台送り手段(74)は、ワーク支持台(73)を移動させる油圧シリンダ(75)、空気圧を油圧に変換する油空圧変換器（図示略）、および油空圧変換器の空気圧室に供給される空気圧を設定することによりワークが回転砥石から受ける負荷を一定に保持する電空レギュレータ（図示略）からなる定推力送り手段とされている研削装置(71)が提案されている。

なお、本発明で使用している磁気ねじは、例えば、特許文献２に記載されている。
特開２０００−３１７８３０号公報特開平１０−４７４５０号公報

上記特許文献１の研削装置によると、ワーク支持台送り手段を定推力送り手段とすることにより、ワークのダメージ層を減少することができるものの、定推力送り手段を空気圧制御としている関係上、ワーク支持台の位置制御が難しく、研削装置の自動化が困難という問題があった。

この発明の目的は、ワークのダメージ層を減少することができ、しかも、ワーク支持台の位置制御が容易で、研削装置の自動化が可能な研削装置を提供することにある。

この発明による研削装置は、所定位置に保持された回転砥石によって研削されるワークを支持するワーク支持台と、ワーク支持台をワークの被加工面と平行な方向に移動させるワーク支持台送り手段とを備えている研削装置において、ワーク支持台送り手段は、回転可能なねじ軸およびねじ軸に非接触状態で磁気的に結合された２つのナット体からなる磁気ねじと、ねじ軸の回転に伴って軸方向に移動させられる２つのナット体間の距離を測定する相対変位測定手段と、磁気ねじのねじ軸の送りを制御する制御手段とを有しており、ワーク支持台が一方のナット体に支持されるとともに、研削時にワークが受ける研削抵抗に起因する２つのナット体間の距離変化に基づいてねじ軸の送りが制御されていることを特徴とするものである。

この研削装置で研削されるワークとしては、白色ＬＥＤなどに用いられるサファイアウエハ、ハードディスクに用いられる結晶化ガラス、シリコンウエハ、アルミナ焼結体などの硬くて脆い材料が適している。

回転砥石としては、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素などを砥粒とするメタルボンド砥石が使用される。

砥石送り手段は、定寸送り手段とされ、例えば、研削ヘッドをヘッド送りモータによって上下方向に移動させ、回転砥石を位置制御してワークに接近させる構成とされる。回転砥石は、この定寸送り手段により、研削厚みに応じた所定位置に停止させられる。

ワーク支持台は、例えば、真空チャックやワックスによりワークを保持するものとされる。また、ワーク支持台は、摩擦抵抗を小さくするために、例えばエアスライド装置のエアテーブル（スライドテーブル）とされる。

磁気ねじは、内周面に螺旋状に着磁したナット体と磁性体のねじ軸と（または磁性体のナット体と外周面に螺旋状に着磁したねじ軸と）で生じるＮＳ極の作用によってねじ機能を持たせ、これにより、ねじ軸の回転運動をナット体の直線運動に変換するようにしたもので、非接触・無潤滑でねじ機能を果たすことから、低騒音、低発塵および長期メンテナンスフリーが可能となるという利点を有している。本発明においては、１本のねじ軸に同じ方向に移動させられる２つのナット体が取り付けられる。ねじ軸は、例えばサーボモータによって回転させられ、その送りが例えばサーボアンプ（電流すなわちトルク制御のみを行う制御手段）によって制御される。

磁気ねじは、ナット体に軸方向のスラスト荷重を与えると、スラスト荷重に比例してナット体がたわむという特性を有しており、ワーク支持台が支持された方のナット体では、この特性により、研削時に回転砥石から受ける力（研削抵抗）によって、無負荷の場合と異なった変位量となる。ワーク支持台が支持されていない方のナット体では、無負荷であることから、２つのナット体の相対変位を求めることにより、研削抵抗力を得ることができる。したがって、２つのナット体の相対変位を一定（または所定範囲）とする制御を行うことにより、研削抵抗力を一定（または所定範囲）に維持して、研削することができる。

相対変位測定手段は、例えば、ワーク支持台が支持されていない方の磁気ねじのナット体に支持された相対変位測定用参照台と、ワーク支持台に対する参照台の位置を検出する相対変位検出手段（例えばリニアスケール）とを有しているものとされる。

この発明の研削装置によると、ワーク支持台移動手段が磁気ねじとされているので、ワーク支持台移動手段がボールねじのものでは、高減速比にすると推力制御が困難となり、低減速比にすると低速送りが困難となるのに対し、ワーク支持台を移動させる推力を微小（例えば２Ｎ以下）とすることができ、磁気ねじの駆動電流を制御することで送り速度を超低速（例えば数ｍｍ／ｓ程度または１ｍｍ／ｓ以下）とすることができ、これにより、ワーク支持台送り手段が定速送り手段である既存の装置による研削では数μｍ程度あったダメージ層を大幅に減少することができる。したがって、研削工程の後で行われていたラップ工程を省略することができる。

また、ワーク研削時にワーク支持台が受ける研削抵抗に起因する２つのナット体間の距離変化に基づいて磁気ねじのねじ軸の送りが制御されているので、動力計のような高価な検知手段が不要であり、しかも、ねじ軸の送り速度およびナット体の位置の制御を行うことも容易であることから、研削装置の自動化も容易なものとなる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。

図１は、この発明の研削装置の第１実施形態を示すもので、研削装置(1)は、砥石送り手段によって所定位置に保持されて例えばサファイアウエハなどのワーク(W)を研削する回転砥石（図示略）と、ワーク(W)を支持するワーク支持台(3)と、ワーク支持台(3)をワーク(W)の被加工面と平行な方向に移動させるワーク支持台送り手段(4)とを備えている。

ワーク支持台送り手段(4)は、回転可能なねじ軸(12)およびこのねじ軸(12)に対して非接触状態で磁気的に結合された２つのナット体(13)(14)からなる磁気ねじ(11)と、ワーク支持台(3)の位置したがってワーク送り量を検出する第１位置検出手段としての第１リニアスケール(15)と、２つのナット体(13)(14)間の距離を測定する相対変位測定手段(16)と、磁気ねじ(11)のねじ軸(12)を回転させるサーボモータ(17)と、サーボモータ(17)を駆動するサーボアンプ(18)と、サーボアンプ(18)およびサーボモータ(17)を介して磁気ねじ(11)のねじ軸(12)の送りを制御する制御手段としての力コントロール制御装置(19)とを有している。

ワーク支持台(3)は、エアスライド装置のスライドテーブルとされ、その両縁部がエアスライド装置の一対のガイド軸(5)に長手方向移動可能に支持されるとともに、その中央部が磁気ねじ(11)の一方のナット体（図の右側のナット体）(13)に支持されている。これにより、ワーク支持台(3)は、ナット体(13)と一体となってガイド軸(5)に沿って移動可能とされている。

相対変位測定手段(15)は、ワーク支持台（ワークテーブル）(3)が支持されていない方の磁気ねじ(11)のナット体（図の左側のナット体）(14)に支持された相対変位測定用参照台（リファレンステーブル）(21)と、ワーク支持台(3)に対する相対変位測定用参照台(21)の位置を検出する第２位置検出手段としての第２リニアスケール(22)とを有している。なお、第２リニアスケール(22)は、第１リニアスケール(15)とは別に設ける必要はなく、第１リニアスケール(15)に第２リニアスケール(22)の機能を兼ねさせてももちろんよい。

図２は、磁気ねじ(11)の内部構造を示している。この磁気ねじ(11)は、ねじ軸(12)を磁性体として、各ナット体(13)(14)の内周面に螺旋状に着磁したもので、各ナット体(13)(14)（図２には右側のナット体(13)のみを示す）は、中空円筒状の永久磁石(31)と、永久磁石(31)を外周から覆うカバー体(32)と、カバー体(32)の軸方向の両側に嵌合された案内リング(33)とを有しており、永久磁石(31)の内周面に、ねじ軸(12)のねじ山に対応するＮ極とＳ極とが交互にできるように螺旋状に着磁が施されている。２つのナット体(13)(14)は、ねじ軸(12)の回転に伴って同じ方向に移動するように着磁されている。

図３は、磁気ねじ(11)のスラスト剛性の測定結果を示すグラフであり、このグラフから、ナット体(13)に軸方向のスラスト荷重を加えると、スラスト荷重に比例してそのたわみが増加することが分かる。したがって、ワーク支持台(3)には回転砥石から研削抵抗が作用し、このワーク支持台(3)を支持するナット体(13)は所定のたわみを受ける。参照台(21)は無負荷であるから、この参照台(21)を支持するナット体(14)のたわみはゼロとなっている。この特性を利用すれば、ワーク支持台(3)と参照台(21)との間の距離（相対変位）から、ワーク支持台(3)を支持するナット体(13)にかかるスラスト荷重したがってワーク支持台(3)に作用する推力が分かる。

この発明による研削装置は、磁気ねじの上記特性に着目してなされたもので、磁気ねじ(11)のたわみすなわち２つのナット体(13)(14)の相対変位を所定値または所定範囲に保つことにより、スラスト荷重が所定値または所定範囲に保たれるように磁気ねじ(11)のねじ軸(12)の送りが制御され、これにより推力一定または推力適正範囲の送りが可能とされている。この制御のために、力コントロール制御装置(19)では、第１リニアスケール(15)で求められたワーク支持台(3)の位置および第２リニアスケール(22)で求められた２つのナット体(13)(14)の相対変位の増減に応じて磁気ねじ(11)の送り推力すなわちモータ・トルクの適正値を求め、この適正送り推力とするための信号を電流（トルク）制御のみを行うサーボアンプ(18)を介してサーボモータ(17)に送っている。

図４は、この発明の研削装置の制御系で使用される研削負荷をモデル化したもので、同図（ａ）から分かるように、ｌ(z)：砥石とワークの接触部の弧の長さ（以下「接触長」と呼ぶ）は、ウエハ（ワーク）の前端から回転砥石とウエハとの接触位置中央までの距離ｚにより変化する（徐々に増加した後、徐々に減少する）。したがって、磁気ねじの推力を一定に保つと、ワークの単位長当たりにかかる負荷が変動することになり、ｌ(z)が変化することを考慮した推力制御が望まれる。ｌ(z)およびｘｐ：ウエハ（ワーク）の前端から回転砥石とウエハとの接触位置までの最短距離は、それぞれ図４（ａ）に示した式で求められる。同図（ｂ）は、このモデルにより求められる接触長ｌ(z)と円近似モデルから求められる接触長とを比較したものである。

図５は、この発明の研削装置の制御のためのタイミングチャートの一例を示すもので、図４に示した研削負荷のモデルに基づいて作成されている。図４を参照して上述したように、研削開始後は、ワーク(W)の移動によって接触長l(z)が徐々に増加し、これに伴って、研削抵抗が増加する。そして、略半分の研削を終えた後は、ワーク(W)の移動によって接触長が徐々に減少し、これに伴って、研削抵抗も減少する。したがって、ｌ(z)が変化することを考慮した推力制御においては、図５に示すように、研削位置までは、ワーク支持台(3)したがってリニアモータ可動子(11a)が速い速度で送られ（急速アプローチ）、研削段階では、接触長の増減にしたがって推力を増減させ、研削終了後は、待機位置まで、再び速い速度で移動させられる（急速後退）ことが好ましい。また、推力（モータとテーブルとの偏差）については、研削初期段階すなわち接触長が短いうちは、徐々に推力が増加するように移動させ、研削中間段階すなわち接触長が長くなると、一定推力で移動させ、研削終了段階すなわち接触長が再び短くなると、徐々に推力が減少するように移動させることが好ましい。研削中の送り速度および力（電流）は、ワークや砥石の状態により変動するが、推力制御の結果、ｌ(z)に対応して歪むことになり、基本的には同図に示すようなゆるやかな円弧状となる。

図１は、この発明の研削装置の１実施形態を模式的に示す平面図である。図２は、同側面図である。図３は、磁気ねじの特性を示すグラフである。図４は、この発明の研削装置の制御系で使用される研削負荷のモデルを説明するもので、（ａ）は、そのモデル化および計算式を示す図、（ｂ）は、このモデルにより求められる接触長と円近似とを比較した図である。図５は、この発明の研削装置のタイミングチャートの一例を示す図である。図６は、従来の研削装置を示す側面図である。

符号の説明

(1) 研削装置
(3) ワーク支持台
(4) ワーク支持台送り手段
(11) 磁気ねじ
(12) ねじ軸
(13) ワーク支持台用ナット体
(14) 参照台用ナット体
(15) 相対変位測定手段
(19) 力コントロール制御装置（制御手段）
(21) 相対変位測定用参照台
(22) 位置検出手段
(W) ワーク

Claims

所定位置に保持された回転砥石によって研削されるワークを支持するワーク支持台と、ワーク支持台をワークの被加工面と平行な方向に移動させるワーク支持台送り手段とを備えている研削装置において、ワーク支持台送り手段は、回転可能なねじ軸およびねじ軸に非接触状態で磁気的に結合された２つのナット体からなる磁気ねじと、ねじ軸の回転に伴って軸方向に移動させられる２つのナット体間の距離を測定する相対変位測定手段と、磁気ねじのねじ軸の送りを制御する制御手段とを有しており、ワーク支持台が一方のナット体に支持されるとともに、研削時にワークが受ける研削抵抗に起因する２つのナット体間の距離変化に基づいてねじ軸の送りが制御されていることを特徴とする研削装置。
相対変位測定手段は、ワーク支持台が支持されていない方のナット体に支持された相対変位測定用参照台と、ワーク支持台に対する参照台の位置を検出する相対変位検出手段とを有している請求項１の研削装置。