JP2005230966A

JP2005230966A - 研削装置

Info

Publication number: JP2005230966A
Application number: JP2004042687A
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、リニアモータ11と、リニアモータ11の発生推力をワーク支持台3に伝達する弾性手段としての圧縮コイルばね12と、リニアモータ可動子11a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13と、相対変位検出手段13で得られる変位量に応じてリニアモータ11の制御電流を制御する制御手段14とを有している。
【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。
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、リニアモータと、リニアモータの発生推力をワーク支持台に伝達する弾性手段と、リニアモータ可動子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リニアモータ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（ワークの被加工面と垂直な方向の停止位置）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）とされることがある。

弾性手段は、例えば、リニアモータ可動子の進行方向前端とワーク支持台の進行方向後端とを連結する圧縮コイルばねとされることがあり、リニアモータ可動子の進行方向後端とワーク支持台の進行方向前端とを連結する引張りコイルばねとされることがある。また、弾性手段としては、コイルばね以外のばねとしてもよく、ばねに代わる弾性部材や複数の部材の組合せとしてもよい。

相対変位検出手段は、ワーク支持台の位置を検出する第１位置検出手段およびリニアモータ可動子の位置を検出する第２位置検出手段からなり、ワーク支持台とリニアモータ可動子との距離の変化量が相対変位として使用される。各位置検出手段は、例えば、リニアスケールおよびエンコーダから構成され、位置だけでなく移動速度も検出される。

制御手段は、相対変位検出手段から得られた相対変位に基づいてリニアモータの発生推力を制御する。この際、ワーク支持台に与えられる推力は、一定でもよいが、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に与えられる推力も変化させることがより好ましい。

ワークの中心位置と回転砥石の中心位置との関係については、特に限定されるものではない。典型的には、ワークの送り方向と回転砥石の中心軸方向とは直交するようになされるが、ワークの中心位置は、回転砥石からワークに作用する力の方向が引き込み方向とならないように、回転砥石の中心位置からオフセットされているようにしてもよい。ワークの中心位置と回転砥石の中心位置とをオフセットするに際しては、オフセットがない場合は直角となっているワーク送り方向と回転砥石からワークに作用する力の方向とのなす角が鈍角となるようにすればよい。このようにすると、停電やリニアモータの故障などによりリニアモータの発生推力がゼロになった際には、ワークに作用する回転砥石の力の方向が引き込み方向と逆方向（回転砥石から離れる方向）となり、ワークの引き込みしたがってワークの傷が防止される。

この発明の研削装置によると、ワーク支持台に推力を与える手段がリニアモータとされているので、ボールねじとサーボモータを組み合わせた回転−直線変換機構のものでは、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、リニアモータ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、リニアモータの発生推力を弾性手段を介してワーク支持台に伝達するので、発生推力となる弾性手段の弾性力をワーク支持台の相対変位から求めることができ、例えば動力計などに比べて、推力を安価に検知することができるとともに、相対変位検出手段から得られた相対変位および送り速度検出手段から得られた送り速度に基づいてリニアモータの発生推力を制御することにより、駆動系のフリクションや配線抵抗、微小な送りリップル等の影響を排除しつつ、研削に必要な推力を制御することができ、しかも、推力の制御に加えて、送り速度（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。

また、リニアモータおよび弾性手段を使用することにより、ワークが回転砥石に接触するまでは、早送りが可能であり、例えば、空気圧により一定速度で送る場合に比べて、作業時間の短縮が可能となる。また、推力が一定で移動速度が遅くなった場合には、回転砥石の切れ味が低下したと判断し、回転砥石のドレッシングを行うなどの判定基準とすることもできる。

さらにまた、ワークの駆動系（モータ、リニアスケール等）を研削部の外側へ出すことが可能であり、これにより、駆動系へのクーラント、オイル、研磨かす等の付着をなくし、信頼性およびメンテナンス性を向上することができる。

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。以下の説明において、図１の左を前、右を後というものとする。

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(3)は、エアスライド装置のスライドテーブルとされ、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ている。

ワーク支持台送り手段(4)は、リニアモータ(11)と、リニアモータ(11)の発生推力をワーク支持台(3)に伝達する弾性手段としての圧縮コイルばね(12)と、リニアモータ(11)に対するワーク支持台(3)の相対変位を検知する相対変位検出手段(13)と、相対変位検出手段(13)から得られた相対変位に基づいてリニアモータ(11)の発生推力を制御する力制御および位置制御用コントローラ（制御手段）(14)とを備えている。

リニアモータ(11)の可動子(11a)の前面には、リニアモータ可動子(11a)とワーク支持台(3)とを結合するための連結軸(21)が前方突出状に設けられている。

連結軸(21)は、後端部がリニアモータ可動子(11a)の前面に固定されている大径部(21a)と、大径部(21a)の前端に連なる小径部(21b)と、小径部(21b)の前端に設けられたフランジ部(21c)とからなる。

ワーク支持台(3)には、前後方向に長い方形の凹所(3a)が形成されており、連結軸(21)のフランジ部(21c)がこの凹所(3a)の後端部に移動可能に嵌められている。圧縮コイルばね(12)は、連結軸(21)の小径部(21b)に巻装されて、連結軸(21)の大径部(21a)の前端面とワーク支持台(3)の後面とによって受け止められている。これにより、リニアモータ(11)の発生推力は、圧縮コイルばね(12)を介してワーク支持台(3)に伝達されるとともに、ワーク支持台(3)は、前方へ移動する際には、連結軸(21)のフランジ部(21c)を前方に押してこれと一体に前進し、後方へ移動する際には、連結軸(21)のフランジ部(21c)から離れて単独で後退するようになされている。

相対変位検出手段(13)は、エアスライド装置のガイド軸支持部(5a)に設けられてワーク支持台(3)の移動速度と位置とを検出する第１リニアスケール(22)および第１エンコーダ(23)と、リニアモータ(11)に設けられてリニアモータ可動子(11a)の送り速度と位置とを検出する第２リニアスケール(24)および第２エンコーダ(25)とからなり、ワーク支持台(3)とリニアモータ可動子(11a)との距離の変化量が相対変位として使用されている。

図１に示すように、ケーシング(6)は、リニアモータ(11)などの駆動系を収納する部分(6a)と、回転砥石(2)、ワーク支持台(3)などの研削部を収納する部分(6b)とに分けられており、これにより、研削部から駆動系へのクーラント、オイル、研磨かす等の付着がなく、信頼性およびメンテナンス性に優れたものとなっている。

なお、リニアモータ(11)の配線をワーク支持台(3)側に取り付けた場合、配線によって増加する抵抗が低推力確保のための妨げとなるが、ワーク支持台(3)には連結軸(21)を取り付けるだけなので、低推力を容易に確保することができる。

ワーク(W)に回転砥石(2)からの研削抵抗が作用すると、ワーク支持台(3)は、リニアモータ可動子(11a)に対して変位し、コイルばね(12)の弾性力の変化量は、この相対変位を使用して求めることができる。このコイルばね(12)の弾性力は、研削抵抗と所定の関係を有しており、したがって、力制御および速度・位置制御用コントローラ(14)において、相対変位検出手段(13)から得られた相対変位に基づいてリニアモータ(11)の発生推力を制御することにより、ワーク(W)に作用する研削抵抗を所定値に保つことができる。

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、ｕ：コイルばねの弾性力、ｆ_ｎ：研削による送り抵抗力、ｆ：リニアモータ発生推力、ｒ：リニアモータの摩擦抵抗をそれぞれ示している。同図のモデルにおいて、Ｍ：ワーク支持台の質量、α_ｗ：ワーク支持台の加速度、η：抵抗係数(val)、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）、ｖ：ワーク移動速度、ｍ：リニアモータ可動子の質量、α_ｍ：リニアモータの加速度、Ｋ_ｔ：モータ推力定数、ｋ：コイルばねのばね定数、Δｘ：コイルばねの初期状態からの縮み量、Ｉ：モータ制御電流として、以下の式が成り立っている。

Ｍα_ｗ＝ｕ−ｆ_ｎ … （１）
ｆ_ｎ＝η・ｌ(z)・ｖ … （２）
ｍα_ｍ＝ｆ−ｒ−ｕ … （３）
ｒ＝μ・ｖ … （４）
ｆ＝Ｋ_ｔ・Ｉ … （５）
ｕ＝ｋ・Δｘ … （６）
これらの式を用いると、相対変位検出手段(13)で得られたコイルばね(12)の縮み量から求められる弾性力ｕとリニアモータの現在の送り速度ｖとによって、研削による送り抵抗力ｆ_ｎを求めることができ、これにより、リニアモータ発生推力ｆが最適となるようにリニアモータ(11)の制御電流Ｉ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、低推力との両立が困難となってしまう。リニアモータ(11)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・低速度の両立が容易に可能となる。

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、上記式（２）に含まれるｌ(z)：接触長は、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、リニアモータ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。

なお、図１から分かるように、この実施形態では、回転砥石(2)の中心軸方向は、ワーク(W)の送り方向と直交するのではなく、ワーク(W)の中心位置と回転砥石(2)の中心位置とはオフセットするようになされている。これは、図３に示すように、オフセットすることによって、回転砥石(2)からワーク(W)に作用する力の方向が図の右上方向（ワーク送り方向と回転砥石(2)からワーク(W)に作用する力の方向とのなす角が鈍角）とするためのもので、これにより、停電やリニアモータの故障などによりリニアモータ(11)の発生推力がゼロになった際には、ワーク(W)に作用する回転砥石(2)の力の方向が引き込み方向と逆方向（回転砥石(2)から離れる方向）となり、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、回転砥石の引き込み力をキャンセルための１手段を説明するための図である。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
(2) 回転砥石
(3) ワーク支持台
(4) ワーク支持台送り手段
(11) リニアモータ
(12) 圧縮コイルばね（弾性手段）
(13) 相対変位検出手段
(14) 力制御および位置制御用コントローラ（制御手段）
(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、リニアモータと、リニアモータの発生推力をワーク支持台に伝達する弾性手段と、リニアモータ可動子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リニアモータ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。
ワークの中心位置は、回転砥石からワークに作用する力の方向が引き込み方向とならないように、回転砥石の中心位置からオフセットされている請求項１の研削装置。