JP2005230965A

JP2005230965A - 研削装置

Info

Publication number: JP2005230965A
Application number: JP2004042682A
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、ワーク支持台3をワークWの被加工面と平行な方向に後退可能に支持してワークWの被加工面と平行な方向に前進させられる移動台11と、所要の制御電流が流されて電流値に応じた電磁力で移動台11とワーク支持台3とを結合する電磁力クランプ手段としてのクランプアクチュエータ14と、移動台11を後退方向に付勢する予圧ばね15と、移動台11に対するワーク支持台3の相対変位を測定する相対変位検出手段としてのリニアスケール17と、リニアスケール17で得られる変位量に応じてクランプアクチュエータ14の制御電流を制御する制御手段とを備えている。
【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４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。
特開２０００−３１７８３０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、砥石送り手段によって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、ワーク支持台をワークの被加工面と平行な方向に後退可能に支持してワークの被加工面と平行な方向に前進させられる移動台と、所要の制御電流が流されて電流値に応じた電磁力で移動台とワーク支持台とを結合する電磁力クランプ手段と、移動台に対するワーク支持台の相対変位を測定する相対変位検出手段と、相対変位検出手段で得られる変位量に応じて電磁力クランプ手段の制御電流を制御する制御手段とを有し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。

移動台は、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。移動台を前進させる手段としては、ボールねじとサーボモータとの組合せやリニアモータなどが可能であり、位置制御および速度制御の両方が可能なリニアモータとすることが好ましい。

ワーク支持台を後退可能に支持する手段および電磁力クランプ手段は、例えば、これらの両方の手段を兼ねることができるリニアモータとしてもよく、また、ワーク支持台を後退可能に支持する手段は、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）とし、電磁力クランプ手段は、制御電流に応じた磁気的反発力をワーク支持台に与えるソレノイドとしてもよい。

相対変位検出手段は、例えば、移動台に取り付けられたリニアスケールとされる。

相対変位検出手段で得られる相対変位は、回転砥石によってワークが受ける研削抵抗（研削押し込み力）によるもので、この相対変位を制御することによって、研削抵抗を所定値（一定値または所定範囲）に維持することができる。制御手段においては、相対変位が一定となるように、電磁力クランプ手段に流れる電流が制御される。これにより研削抵抗が所定値に維持され、ワークにダメージを与えることなく研削を行うことができる。なお、ワーク支持台の変位量は、一定に維持されてもよいが、ワーク支持台の移動に伴って、回転砥石とワークとの接触面積（接触長×切り込み量）したがって接触力が変化することから、これに応じてワーク支持台の変位量を変化させるようにしてもよい。

ワーク支持台送り手段は、ワーク支持台を後退方向に付勢する付勢手段をさらに有していることが好ましい。

このようにすると、停電などによりワーク支持台の送りが停止した際には、ワーク支持台が付勢手段から回転砥石から離れる方向の力を受け、ワークの引き込みしたがってワークの傷が防止される。

付勢手段は、例えば、ワーク支持台を送り方向と逆向きに付勢するコイルばねにより得ることができ、また、適当な重さの錘をワーク支持台の送り方向と逆向きの位置に付けることによっても得ることができる。

ワーク支持台を後退可能に支持する手段および電磁力クランプ手段は、これらの両方の手段を兼ねるリニアモータとされ、相対変位検出手段は、リニアモータに設けられたリニアスケールとされ、移動台に設けられてワーク支持台を移動させるリニアモータの駆動電流が制御されることによって移動台に対するワーク支持台の相対変位が所定値とされていることが好ましい。

このようにすると、電磁力の制御が容易でかつ精度がよく、また、自動化もより容易なものとなる。

さらにまた、移動台を移動させる手段がリニアモータとされ、相対変位検出手段で得られた変位量が所定値を越えた場合に、リニアモータの送り速度が変更されるようになされていることがより好ましい。

このようにすると、移動台したがって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、リニアモータの駆動電流を制御することで送り速度が超低速（例えば数ｍｍ／ｓ程度または１ｍｍ／ｓ以下）でもスムーズな送りを実現することができる。

この発明の研削装置によると、ワーク支持台送り手段は、ワーク支持台をワークの被加工面と平行な方向に後退可能に支持してワークの被加工面と平行な方向に前進させられる移動台と、所要の制御電流が流されて電流値に応じた電磁力で移動台とワーク支持台とを結合する電磁力クランプ手段と、移動台に対するワーク支持台の相対変位を測定する相対変位検出手段とを有しているので、相対変位検出手段で得られる相対変位は、回転砥石によってワークが受ける研削抵抗に対応しており、この相対変位を制御することによって、研削抵抗を一定に保って研削することができ、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、電磁力の大きさを電流で制御することは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および図２は、この発明の研削装置の１実施形態を示すもので、研削装置(1)は、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(2)と、回転砥石(2)の軸をワーク(W)の被加工面と垂直な方向に移動させる砥石送り手段（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、ワーク支持台（ワークテーブル）(3)をワーク(W)の被加工面と平行な方向に後退可能に支持してワーク(W)の被加工面と平行な方向に前進させられる移動台（メインテーブル）(11)と、移動台(11)を長手方向移動可能に支持する静圧エアスライド(12)と、移動台(11)を図の右から左に向かう方向に前進させるメインリニアモータ(13)と、所要の制御電流が流されて電流値に応じた電磁力で移動台(11)とワーク支持台(3)とを結合する電磁力クランプ手段としてのクランプアクチュエータ(14)と、ワーク支持台(3)の後端部と移動台(11)の後端部とを結合し移動台(11)を後退方向に付勢する予圧ばね(15)と、移動台(11)の位置を検出する第１リニアスケール(16)と、移動台(11)に対するワーク支持台(3)の相対変位を測定する相対変位検出手段としての第２リニアスケール(17)と、クランプアクチュエータ(14)を駆動するクランプアクチュエータドライバ(18)と、メインリニアモータ(13)を駆動するメインモータドライバ(19)と、各リニアスケール(16)(17)の出力信号に応じて各ドライバ(18)(19)を制御する力コントロール制御装置(20)とを備えている。

クランプアクチュエータ(14)としては、リニアモータが使用されている。メインリニアモータ(13)およびクランプアクチュエータ(14)として使用されているリニアモータは、公知のもので、複数のコイルユニットからなるリニアモータ可動子および可動子の走行軌道に沿って並べられた複数の永久磁石からなるリニアモータ固定子によって構成されている。また、予圧ばね(15)としては、引張りコイルばねが使用されている。

クランプアクチュエータ(14)の推力は、予圧ばね(15)による予圧と釣り合い、ワーク(W)が回転砥石(2)と接触すると、ワーク支持台(3)にはこの反力（研削抵抗）が生じ、ワーク支持台(3)に相対変位が生じる。したがって、この相対変位により研削抵抗（研削押し込み力）が分かる。クランプアクチュエータ(14)の電流は、所要研削抵抗に対応する相対変位となるように制御される。

図２は、上記研削装置(1)の機構の原理を示しており、各アルファベット記号は、Ｆａ：クランプアクチュエータ(14)の発生推力、ｆ：研削による送り抵抗力、ΔＸ：移動台(11)に対するワーク支持台(3)の相対変位、ｋ・Ｘｏ：予圧ばね(15)の初期弾性力（予圧）をそれぞれ示している。図２のモデルでは、Ｆａ＝ｆ＋ｋ・（Ｘｏ−ΔＸ）が成り立っている。

この研削装置(1)では、第２リニアスケール(17)により移動台(11)に対するワーク支持台(3)の相対変位ΔＸが検出されると、このΔＸに対応する研削抵抗ｆを求めることができ、予圧ばね(15)の弾性力ｋ・（Ｘｏ−ΔＸ）も求まる。そこで、力コントロール制御装置(20)により、式：Ｆａ＝ｆ＋ｋ・（Ｘｏ−ΔＸ）に基づいて、研削抵抗ｆが最適となるようにクランプアクチュエータ(14)の発生推力Ｆａの制御電流が制御される。

メインリニアモータ(13)の制御は、ワーク(W)の研削位置までは位置制御とされ、ワーク(W)が研削位置に到達後は速度制御に切り替えられる。そして、研削抵抗が大きいときに移動台(11)の送り速度が速くなりすぎないように、移動台(11)に対するワーク支持台(3)の相対速度を元に、移動台(11)の送り速度が制御される。

適正な研削を行うためには、送り推力数百ｇｆ以下、研削速度が数μｍ〜数ｍｍ／ｓと低推力・低速度とすることが必要となる。これを回転型モータで行うとすると、大減速比にする必要があり、低推力との両立が不可能となってしまう。リニアモータを使用したクランプアクチュエータ(14)によると、電流制御により推力をダイレクトに発生させることができ、低推力・低速度の両立が可能となる。また、低推力とするに際して、予圧ばね(15)が作用していることにより、リニアモータの動作を低電流の非線形領域ではなく線形領域で用いることができる。

予圧ばね(15)によると、例えば、停電時やクランプアクチュエータ(14)またはメインリニアモータ(13)の故障時などに、回転砥石(2)にワーク(W)が引き込まれてワーク(W)が傷を受ける可能性があるが、停電やモータ故障などによりクランプアクチュエータ(14)の発生推力がゼロになった際には、ワーク支持台(3)が予圧ばね(15)から回転砥石(2)から離れる方向の力を受け、ワーク(W)の引き込みしたがってワーク(W)の傷が防止される。

図３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、上記式（２）に含まれる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、ワーク支持台送り手段(4)の発生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３（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。

上記実施形態のものによると、クランプアクチュエータ(14)によって研削抵抗が一定に保たれるので、移動台(11)を移動させるメインリニアモータ(13)については、必ずしも推力制御する必要はなく、メインリニアモータ(13)は、ボールねじなどの他の移動手段に置き換えることもできる。

図１は、この発明の研削装置の第１実施形態を模式的に示す側面図である。図２は、この発明の研削装置の第１実施形態の機構の原理を示す図である。図３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４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
(2) 回転砥石
(3) ワーク支持台
(4) ワーク支持台送り手段
(11) 移動台
(13) メインリニアモータ（移動台移動手段）
(14) クランプアクチュエータ（電磁力クランプ手段）
(15) 予圧ばね（付勢手段）
(17) 第２リニアスケール（相対変位検出手段）
(W) ワーク

Claims

砥石送り手段によって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、ワーク支持台をワークの被加工面と平行な方向に後退可能に支持してワークの被加工面と平行な方向に前進させられる移動台と、所要の制御電流が流されて電流値に応じた電磁力で移動台とワーク支持台とを結合する電磁力クランプ手段と、移動台に対するワーク支持台の相対変位を測定する相対変位検出手段と、相対変位検出手段で得られる変位量に応じて電磁力クランプ手段の制御電流を制御する制御手段とを有していることを特徴とする研削装置。
ワーク支持台送り手段は、ワーク支持台を後退方向に付勢する付勢手段をさらに有している請求項１の研削装置。
ワーク支持台を後退可能に支持する手段および電磁力クランプ手段は、これらの両方の手段を兼ねるリニアモータとされ、相対変位検出手段は、リニアモータに設けられたリニアスケールとされ、移動台に設けられてワーク支持台を移動させるリニアモータの駆動電流が制御されることによって移動台に対するワーク支持台の相対変位が所定値とされている請求項１または２の研削装置。
移動台を移動させる手段がリニアモータとされ、相対変位検出手段で得られた変位量が所定値を越えた場合に、リニアモータの送り速度が変更されるようになされている請求項３の研削装置。