JP2005262431A - 研削装置 - Google Patents

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は、回転砥石2の砥石軸2aの位置を制御する磁気軸受装置5と、磁気軸受装置5のアキシャル方向制御電流およびラジアル方向制御電流を使用して砥石送り手段とワーク支持台送り手段4とを制御する制御手段6とを備えている。磁気軸受装置5のラジアル方向制御電流に基づいてワーク支持台3の送りが制御されているとともに、磁気軸受装置5のアキシャル方向制御電流に基づいて回転砥石2の停止位置が制御されている。
【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ェー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、サファイアウェー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てワークを研削する回転砥石と、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、回転砥石の砥石軸の位置を制御する磁気軸受装置と、磁気軸受装置のアキシャル方向制御電流およびラジアル方向制御電流を使用して砥石送り手段とワーク支持台送り手段とを制御する制御手段とをさらに備えており、磁気軸受装置のラジアル方向制御電流に基づいてワーク支持台の送りが制御されるとともに、磁気軸受装置のアキシャル方向制御電流に基づいて回転砥石のワークの被加工面と垂直な方向の停止位置が制御され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ェーハ、ハードディスクに用いられる結晶化ガラス、シリコンウェーハ、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。

ワーク支持台送り手段は、好ましくは、リニアモータとされる。このようにすると、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。

磁気軸受装置としては、例えば、５軸制御型と称されているものが使用され、これは、砥石軸アキシャル方向に非接触支持する制御型アキシャル磁気軸受、砥石軸の上下２箇所をラジアル方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受、砥石軸のアキシャル方向の位置およびラジアル方向の位置を検出するためのセンサユニット、アキシャル方向の位置の検出結果に基づいてアキシャル磁気軸受の電磁石を制御するアキシャルコントローラ、ラジアル方向の位置の検出結果に基づいて各ラジアル磁気軸受の電磁石を制御するラジアルコントローラなどから構成されている。

砥石送り手段とワーク支持台送り手段とを制御する制御手段は、例えば、磁気軸受装置のアキシャル方向の制御電流に基づいて砥石送り手段を介して回転砥石のワークの被加工面と垂直な方向の停止位置を制御する砥石送りコントローラと、磁気軸受装置のラジアル方向の制御電流に基づいてワーク支持台送り手段を介してワーク支持台の送りを制御するテーブル送りコントローラとを備えているものとされる。この制御手段により、ワーク支持台の送りおよび回転砥石のワークの被加工面と垂直な方向の停止位置が制御される。この際、ワーク支持台送り手段によって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）、すなわち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。

制御手段は、磁気軸受の制御において、砥石軸の共振周波数にダンピングを与える位相進み回路を有していることが好ましい。このようにすると、磁気軸受を使用していることにより、砥石軸のメンテナンスフリー化が可能となり、砥石軸の共振周波数にダンピングを与えることにより、加工ダメージを削減し、加工表面粗さの改善も可能となる。

研削装置は、リニアモータ（またはリニアモータに代わるワーク支持台送り手段）の推力と逆向きの力をワーク支持台に作用させる付勢手段をさらに備えているようにしてもよい。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、ワークが引き込まれることが防止され、これによりワークの傷が防止される。付勢手段は、例えば、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り得ることができ、これに代えて、圧縮または引張りコイルばねを用いることもできる。

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、ワークが引き込まれることが防止され、これによりワークの傷が防止される。

この発明の研削装置によると、磁気軸受装置のアキシャル方向制御電流は、仕上げ面方向（ワークが回転砥石から受ける被加工面と垂直な方向）の反力に応じて変化し、ラジアル方向制御電流は、研削方向（ワークが回転砥石から受ける被加工面に平行な方向）の研削抵抗に応じて変化する。したがって、磁気軸受装置のラジアル方向の制御電流に基づいてワーク支持台の送りが制御され、さらに、磁気軸受装置のアキシャル方向の制御電流に基づいて回転砥石のワークの被加工面と垂直な方向の停止位置が制御されることにより、研削方向の定圧送りが可能となるとともに、仕上げ面方向にダメージを与えない面圧での定圧送りが可能となる。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、砥石送り手段の位置制御が容易であり、ワーク支持台送り手段（例えばリニアモータ）の推力および送り速度（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。

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ェーハなどのワーク(W)を研削する回転砥石(2)と、回転砥石(2)の軸(2a)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)を真空チャック(3a)で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、回転砥石(2)の軸(2a)のアキシャル方向の変位およびラジアル方向の変位を制御する５軸制御型磁気軸受装置(5)と、磁気軸受装置(5)のアキシャル方向制御電流およびラジアル方向制御電流を使用して砥石送り手段とワーク支持台送り手段(4)とを制御する制御手段(6)とを備えている。

ワーク支持台送り手段(4)は、リニアモータとされており、複数のコイルユニットからなるリニアモータ可動子(4a)と、可動子(4a)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(4b)とを有し、リニアモータ可動子(4a)の送り速度と位置とを検出する送り速度検出手段を内蔵している。

磁気軸受装置(5)は、公知のもので、図２に模式的に示すように、砥石軸(2a)を上下方向（アキシャル方向）に非接触支持する制御型アキシャル磁気軸受(11)、砥石軸(2a)の上下２箇所を第１の水平軸およびこれに直交する第２の水平軸（ラジアル方向）に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(12)(13)、砥石軸(2a)のアキシャル方向の位置およびラジアル方向の位置を検出するためのセンサユニット（図示略）、アキシャル方向の位置の検出結果に基づいてアキシャル磁気軸受(11)の電磁石を制御するアキシャルコントローラ(14)、ラジアル方向の位置の検出結果に基づいて各ラジアル磁気軸受(12)(13)の電磁石を制御するラジアルコントローラ(15)などからなる。

砥石送り手段とワーク支持台送り手段(4)とを制御する制御手段(6)は、磁気軸受装置(5)のアキシャル方向の制御電流に基づいて砥石送り手段を介して砥石(2)のワーク(W)の被加工面と垂直な方向の停止位置を制御する砥石送りコントローラ(16)と、磁気軸受装置(5)のラジアル方向の制御電流に基づいてワーク支持台送り手段(4)を介してワーク支持台(3)の送りを制御するテーブル送りコントローラ(17)とを備えている。

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、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、ウェーハ（ワーク）の前端から回転砥石とウェー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：ウェーハ（ワーク）の前端から回転砥石とウェー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。

上記実施形態によると、回転砥石(2)の砥石軸(2a)を磁気軸受装置(5)で制御することにより、磁気軸受装置(5)のラジアル方向の制御電流により研削方向（被加工面と平行な方向）の抵抗が分かり、この電流が所要値となるようにワーク支持台(3)の送り推力（モータ電流）を制御することにより、研削方向の定圧送りが可能となり、さらに、磁気軸受装置(5)のアキシャル方向の電流を制御することにより仕上げ面方向（被加工面と垂直な方向）にダメージを与えない面圧での定圧送りが可能となる。

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が、ワーク支持台送り手段(4)をリニアモータとすることにより、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。

砥石送りコントローラ(16)は、磁気軸受装置(5)の制御を行う公知の制御手段であるが、砥石送りコントローラ(16)は、好ましくは、図４に示すように、磁気軸受装置(5)のセンサユニットの出力から各磁気軸受(11)(12)(13)の電磁石と砥石軸(2a)との相対位置を求める変位センサ回路(21)と、変位センサ回路(21)の出力を受けてＰＩＤ制御を行う制御回路(22)と、砥石軸(2a)の共振周波数にダンピングを与える位相進み回路(23)と、位相進み回路(23)の出力を各磁気軸受(11)(12)(13)の電磁石制御信号として増幅して出力する電磁石駆動アンプ回路(24)とを有しているものとされ、電磁石駆動アンプ回路(24)において増幅された制御信号により、各電磁石の電流が制御され、砥石軸(2a)の動きが制御される。位相進み回路(23)の位相進み特性は、例えば、そのピーク位置が砥石軸(2a)の共振周波数と一致させられており、これにより、共振周波数付近で大きな減衰を与えることが可能となっている。

この砥石送りコントローラ(16)によると、制御手段において砥石軸(2a)の共振周波数に位相進みが加えられることによってダンピングが付与され、砥石軸(2a)の剛性の落ち込みがなくなって共振が防止される。したがって、共振に起因する加工ダメージが削減され、加工表面粗さの改善が可能となる。

上記実施形態において、ワーク(W)の中心位置と回転砥石(2)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く、例えば、ワーク(W)の送り方向と回転砥石(2)の中心軸方向とが直交するように、すなわち、図５（ａ）に示すように、平面から見て、回転砥石(2)の中心位置(GO)がワーク(W)の中心位置(WO)の移動線(TL)上にあるようにすればよい。ワーク(W)の中心位置(WO)は、より好ましくは、回転砥石(2)からワーク(W)に作用する力の方向が引き込み方向とならないように、図５（ｂ）に示すように、回転砥石(2)の中心位置(GO)からオフセットされる。このようにオフセットすると、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＝ワーク(W)の中心位置(WO)の移動線(TL)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）となり、これにより、停電やワーク支持台送り手段(4)の故障などによりワーク支持台送り手段(4)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)が引き込まれることが防止され、これによりワーク(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、この発明の研削装置の制御部の一部を説明するブロック図である。 図５は、この発明の研削装置の平面配置を説明する図で、（ａ）は、第１の例を示し、（ｂ）は、回転砥石の引き込み力をキャンセルするための１手段である第２の例を示している。 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
(2a) 砥石軸
(3) ワーク支持台
(4) ワーク支持台送り手段
(5) 磁気軸受装置
(6) 制御手段
(16) 砥石送りコントローラ
(17) テーブル（ワーク支持台）送りコントローラ
(W) ワーク
(WO) ワークの中心位置
(GO) 回転砥石の中心位置

Claims (3)

1. 砥石送り手段によって所定位置に保持されてワークを研削する回転砥石と、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、回転砥石の砥石軸の位置を制御する磁気軸受装置と、磁気軸受装置のアキシャル方向制御電流およびラジアル方向制御電流を使用して砥石送り手段とワーク支持台送り手段とを制御する制御手段とをさらに備えており、磁気軸受装置のラジアル方向制御電流に基づいてワーク支持台の送りが制御されるとともに、磁気軸受装置のアキシャル方向制御電流に基づいて回転砥石のワークの被加工面と垂直な方向の停止位置が制御されることを特徴とする研削装置。
2. 制御手段は、砥石軸の共振周波数にダンピングを与える位相進み回路を有している請求項１の研削装置。
3. 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または２の研削装置。

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