JP2010205898A - 超音波振動切削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転する切削ブレードに超音波振動を与えながら被加工物の切削を行う場合において、切削ブレードのスラスト方向の振動をなくすことにより、切削品質を向上させる。
【解決手段】回転及び超音波振動する切削ブレード３０を有する超音波振動切削装置を使用して被加工物Ｗを切削する場合において、切削ブレード３０がリング状の基台３０１ｂ、３０２、基台３０１ｂ、３０２から外周側に突出して形成された環状の切刃３００ａとを有し、２つの基台は、切刃３００ａを基準として回転軸方向に対称に形成され、切刃３００ａの基台からの突出量を切刃３００ａの厚さの２０倍以下とし、超音波振動切削装置に備えた切削水供給手段３１０ａ、３１１ａから切刃３００ａの表面及び裏面の全面に向けてそれぞれ切削水を噴出し、切削水の圧力により切刃のスラスト方向の超音波振動を打ち消す。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転する切削ブレードを超音波振動させて被加工物の切削を行う超音波振動切削装置に関するものである。

ＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスが分割予定ラインによって区画されて複数形成されたウェーハは、分割予定ラインの切削により個々のデバイスに分割され、各種電子機器に利用されている。

デバイスが形成されたウェーハには、Ｓｉウェーハ、ＳｉＣウェーハ、サファイアウェーハ、リチウムタンタレートウェーハ等、様々なものがあるが、モース硬度が比較的高いウェーハを切削する場合には、単に回転する切削ブレードをウェーハに切り込ませるだけでは円滑かつ良好な切削が困難である。そこで、高速回転する切削ブレードに超音波振動を加えて切削を行うことが提案されている（例えば特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載された超音波振動切断用ツールでは、超音波の伝達方向をスピンドルの軸心方向（スラスト方向）から切削ブレードの径方向（ラジアル方向）に変換する振動変換部を備えている。そして、この振動変換部の外周側に、ダイヤモンド砥粒がニッケルめっきにより固定された切刃が形成されている。

ところが、この超音波振動切断用ツールは、振動変換部を有しているにもかかわらず、実際にはブレードがラジアル方向だけでなくスラスト方向にも振動し、切削ブレードの切刃の厚さより広い幅の切削溝が形成されてしまうと共に、切削溝の両側に欠けが生じてしまうという問題もある。

そこで、切削ブレードの基台を切刃を基準としてスラスト方向の厚さが対称となるように形成することにより切削ブレードのスラスト方向の振動を抑制する発明がなされ、本願の出願人が特許出願した（例えば特許文献２参照）。

特許第３４６９５１６号公報 特開２００７−２８３４１８号公報

しかし、上記特許文献２に記載された発明では、スラスト方向の振動をある程度は抑制できるものの、皆無とすることはでないため、切削ブレードの切刃の厚さより広い幅の切削溝が形成されてしまったり、切削溝の両側に欠けが生じてしまったりするという問題を完全に解決するには至っていない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、回転する切削ブレードに超音波振動を与えながら被加工物の切削を行う場合において、切削ブレードのスラスト方向の振動をなくすことにより、切削品質を向上させることである。

第一の発明は、被加工物を保持する保持手段と、保持手段に保持された被加工物を切削する回転可能な切削ブレードを有する切削手段と、切削ブレードを超音波振動させる超音波振動付与手段と、切削ブレードに切削水を供給する切削水供給手段とを少なくとも備えた超音波振動切削装置に関するもので、切削ブレードは、リング状の基台と、基台から外周側に突出して形成された環状の切刃とを有し、切削水供給手段は、切刃の表面及び裏面に向けてそれぞれ切削水を噴出する一対の切削水ノズルにより構成され、基台は、切刃を基準として回転軸方向に対称に形成され、切刃の該基台からの突出量は、切刃の厚さの２０倍以下であり、一対の切削水ノズルは、回転する切刃の突出した表面及び裏面の全面に対して切削水を噴出することを特徴とする。

第二の発明は、上記超音波振動切削装置を使用して被加工物を切削する切削方法に関するもので、保持手段に保持された被加工物に対して回転する切刃を切り込ませると共に、一対の切削水ノズルのそれぞれから、切刃の突出した表面及び裏面の全面に対して等しい圧力で切削水を噴出することを特徴とする。

本発明では、切削ブレードを構成する基台が、切刃を基準として回転軸方向に対称に形成され、切刃の基台からの突出量は、切刃の厚さの２０倍以下であり、一対の切削水ノズルは、回転する切刃の突出した表面及び裏面の全面に対して切削水を噴出するため、超音波振動時における切刃の振動が皆無といっていいほど小さくなる。したがって、切刃の厚さより広い幅の切削溝が形成されてしまったり、切削溝の両側に欠けが生じてしまったりすることがなく、切削品質が向上する。

超音波振動切削装置の一例を示す斜視図である。 切削手段の一部を示す斜視図である。 切削手段の一部を示す分解斜視図である。 切削ブレードを示す分解斜視図である。 切削ブレードを示す断面図である。 切削手段を用いてウェーハを切削する状態を略示的に示す断面図である。

図１に示す超音波振動切削装置１は、保持手段２に保持された被加工物を切削手段３によって切削する装置である。超音波振動切削装置１の前部には、切削対象の被加工物を収容するカセット４ａが載置される領域であるカセット載置領域４を備えている。そして、カセット載置領域４の後部側には、カセット４ａからの被加工物の搬出及びカセット４ａへの被加工物の搬入を行う搬出入手段５が配設されている。

カセット載置領域４と搬出入手段５との間には、被加工物が一時的に載置される領域である仮置き領域５ａが設けられている。そして、仮置き領域５ａの近傍には、仮置き領域５ａと保持手段２との間で被加工物を搬送する第一の搬送手段６ａが配設されている。

保持手段２はＸ軸方向に移動可能となっており、保持手段２の移動経路の上方には、保持手段２に保持された被加工物を撮像し切削すべき領域を検出するアライメント手段７が配設されている。アライメント手段７は、保持手段２に保持された被加工物の表面を撮像する撮像手段７０を備えている。そして、アライメント手段７のＸ軸方向の延長上には、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能な切削手段３が配設されている。

保持手段２の近傍には、切削後の被加工物を洗浄する洗浄手段８が配設されており、その上方には、保持手段２と洗浄手段８との間で被加工物を搬送する第二の搬送手段６ｂが配設されている。

図２に示すように、切削手段３は、回転可能な切削ブレード３０を有している。切削ブレード３０は、ブレードカバー３１によって上方から覆われている。

図３に示すように、ブレードカバー３１は、スピンドルハウジング３２に固定された固定カバー３１０と、固定カバー３１０に対して着脱可能な着脱カバー３１１とから構成される。固定カバー３１０及び着脱カバー３１１の下部には、一対の切削水ノズル３１０ａ、３１１ａによって構成される切削水供給手段３１ａ（図２参照）が配設されている。切削水ノズル３１０ａ、３１１ａは、切削ブレード３０の両面にそれぞれ対向する位置に配設されている。また、固定カバー３１０及び着脱カバー３１１の上部には、切削水ノズル３１０ａ、３１１ａから噴出する切削水を流入させる切削水流入口３１０ｂ、３１１ｂがそれぞれ配設されている。更に、固定カバー３１０の上部には、切削ブレード３０の磨耗等を検出するためのブレード検出手段３１２が固定される。着脱カバー３１１及びブレード検出手段３１２は、それぞれボルト３１１ｃ、３１２ｃによって固定カバー３１０に固定される。

図３に示すように、切削ブレード３０は、スピンドルハウジング３２によって回転可能に支持されたスピンドル３３に装着され、スピンドル３３の先端部に締結されたボルト３４によって固定される。

図４に示すように、切削ブレード３０は、厚さが数十μｍ〜数百μｍ程のリング状の砥石部３００と、砥石部３００をその厚さ方向に挟持する砥石固定フランジ３０１及び挟持フランジ３０２とから構成される。砥石部３００としては、砥粒をニッケルめっきによって固めた電鋳砥石、砥粒をレジンボンドで結合させたレジンボンド砥石、砥粒をメタルボンドで結合させたメタルボンド砥石、砥粒をビトリファイドボンドで結合させたビトリファイドボンド砥石等を用いることができる。砥石固定フランジ３０１は、金属によって形成され、スピンドル３３に形成された雌ねじ３３ａに螺合するボルト３４を挿入するための貫通孔３０１ｃを有し円筒状に形成されたマウント部３０１ａと、マウント部３０１ａから外周側に拡径突出したリング状の基台３０１ｂとから構成される。

図５に示すように、挟持フランジ３０２は、金属によって形成され、砥石固定フランジ３０１の基台３０１ｂと同じ形状に形成された基台であり、固定フランジ３０１のマウント部３０１ａを層通させるための貫通孔３０２ａを有しており、マウント部３０１ａに砥石部３００を挿入し、砥石固定フランジ３０１の基台３０１ｂと基台挟持フランジ３０２とでボンド剤を介して砥石部３００が挟持される。図示の例では、砥石固定フランジ３０１と挟持フランジ３０２の外径が等しく、両フランジの外周から径方向（ラジアル方向）に砥石部３００の一部が突出し、その突出部分が環状の切刃３００ａを構成している。両フランジからの砥石部３００の突出量、すなわち切刃３００ａの幅Ｈは、切刃３００ａの厚さｔの２０倍以下となっている。また、挟持フランジ３０２は、基台３０１ｂと厚さが等しく形成されている。すなわち、砥石固定フランジ３０１の基台３０１ｂ及びもう一方の基台である挟持フランジ３０２は、切刃３００ａの厚さ方向の中心を基準として回転軸方向（スラスト方向）に対称に形成されている。

図６に示すように、切削手段３を構成するスピンドル３３に切削ブレード３０が装着されボルト３４がスピンドル３３に締結されると、切刃３００ａの表面側、裏面側に切削水ノズル３１０ａ、３１１ａがそれぞれ配置され、切削水ノズル３１０ａからは切刃３００ａの表面に向けて、切削水ノズル３１１ａからは切刃３００ａの裏面に向けて、すなわち、切刃３００ａの基台３０１ｂ及び挟持フランジ３０２から突出した部分の表面及び裏面の全面に対してそれぞれ切削水を噴出することができる。なお、図６においては、固定カバー３１０及び着脱カバー３１１の本体の図示を省略している。

スピンドル３３は、スピンドル３３の後部側に設けられたモータ３５によって回転駆動される。モータ３５は、スピンドル３３に連結されたロータ３５０と、ロータ３５０を回転させるステータ３５１とから構成され、ステータ３５１には電源３６が連結されている。

スピンドルハウジング３２は円筒状に形成されており、その内周面には、スピンドル３３の回転中心に向けて高圧エアーを噴出することによりスピンドル３３を回転可能に支持するラジアルエアベアリング３２０を備えている。また、スピンドル３３には、その軸部から拡径したスラストプレート３３０が形成されており、スピンドルハウジング３２には、スラストプレート３３０の両面に対して高圧エアーを噴出してスピンドル３２をスラスト方向に支持するスラストエアベアリング３２１も備えている。

切削手段３には、切削ブレード３０を超音波振動させる超音波振動付与手段３７が配設されている。超音波振動付与手段３７は、ロータ３５０に連結された超音波振動子３７０と、超音波振動子３７０に対して交流電力を供給するロータリートランス３７１と、ロータリートランス３７１に対して電源を供給する超音波電源部３７２とを備えている。超音波電源部３７２には電源３６から電力が供給される。

超音波振動子３７０は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｉ、Ｔｉ）Ｏ_３）、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）等の中から選択して使用することができる。

超音波電源部３７２では、交流電力の振幅及び周波数が調整され、その交流電力によってロータリートランス３７１が駆動されて超音波振動子３７０が振動し、その振動がスピンドル３３を介して切削ブレード３０に伝達される。周波数電源部３７２としては、例えば株式会社エヌエフ回路設計ブロックから提供されているデジタルファンクションジェネレータ「ＤＦ−１９０５」を使用することができ、周波数は、０（ＤＣ）〜５００ｋＨｚの間で適宜調整することが可能となっている。

図６に示すように、ウェーハＷの切削時には、切削ブレード３０が高速回転しながら切削手段３が下降し、回転する切刃３００ａがウェーハＷに切り込む。ウェーハＷは、例えば図１に示したように、テープＴを介してフレームＦと一体となって支持されており、Ｓｉウェーハ、ＳｉＣウェーハ、サファイアウェーハ、リチウムタンタレートウェーハ等の様々なものが切削対象となる。切刃３００ａには超音波振動付与手段３７から超音波振動が伝達され、主としてラジアル方向に超音波振動するため、ウェーハＷが、サファイアウェーハ等のモース硬度が比較的高いものである場合でも、切削が可能となる。

ウェーハＷの切削中は、切刃３００ａに対して切削水ノズル３１０ａ、３１１ａから切削水３１ｂが噴出される。この切削水は、砥石部３００の基台からの突出部分である切刃３００ａの両面に対して満遍なく当てられる。したがって、超音波振動により切刃３００ａをスラスト方向（軸方向）に振動させる力が加わったとしても、切削水３１ｂから切刃３００ａに加わる力によってスラスト方向の超音波振動を打ち消すことができるため、切刃３００ａに生じる超音波振動は径方向のみとなり、切刃３００ａの厚さより広い幅の切削溝が形成されてしまったり、切削溝の両側に欠けが生じてしまったりすることを回避することができる。特に、切削水ノズル３１０ａ、３１１ａから噴出される切削水３１ｂの圧力を等しくすれば、切削水３１ｂから切刃３００ａのそれぞれの面に対して加わる力が均衡するため、切刃３００ａのスラスト方向のブレをより効果的に抑制することができる。なお、切削水３１ｂの噴出圧力は、例えば２〜３気圧とすることが望ましい。

また、切刃３００ａを含む砥石部３００を挟持する砥石固定フランジ３０１の基台３０１ｂと挟持フランジ３０２とは厚さが等しく、切刃３００ａを基準として回転軸方向（図６において左右方向）に対称となっており、超音波振動が加わっても回転バランスが崩れないため、これによっても切刃３００ａのスラスト方向の振動を抑制することができる。

図１〜６に示した超音波振動切削装置１を使用し、図６に示した超音波振動子３７０を超音波振動させながらウェーハの切削を行い、切刃３００ａの基台からの突出量を可変として切刃３００ａの振動幅を計測した。実験時の条件は以下の通りである。
切削水供給量／１ノズル ： １リットル／分
切削水噴出圧力 ： ３気圧
超音波振動子 ： チタン酸ジルコン酸鉛
超音波振動子に印加する電力 ： ２５［ｋＨｚ］、４０［Ｖ］の高周波電力
切刃３００ａの厚さ ： ０．１ｍｍ

上記条件下における実験結果は以下の通りである。

上記表からわかるように、切刃３００ａの突出量がいずれの値である場合も、切削水を使用しない場合よりも、２つの切削水ノズル３１０ａ、３１０ｂから切刃３００ａの両面に対して切削水を噴出する場合の方が、切刃３００ａのスラスト方向の振動幅を小さくできることが確認された。また、切刃突出量が小さい場合ほど、切刃３００ａのスラスト方向振動幅を０に近くすることができ、切削水を使用しない場合と比較して振動幅を大幅に低減できることがわかった。特に、切りは突出量が２．０ｍｍ以下であると、スラスト方向振動幅は１μｍとなり、限りなく皆無に等しくなる。したがって、切削ブレードの切刃の厚さより広い幅の切削溝が形成されてしまったり、切削溝の両側に欠けが生じてしまったりするという問題を、完全に近いかたちで解決することができる。

１：超音波振動切削装置
２：保持手段
３：切削手段
３０：切削ブレード
３００：砥石部 ３００ａ：切刃
３０１：砥石固定フランジ ３０１ａ：マウント部 ３０１ｂ：基台 ３０１Ｃ：貫通孔
３０２：挟持フランジ ３０２ａ：貫通孔
３１：ブレードカバー ３１ａ：切削水供給手段 ３１ｂ：切削水
３１０：固定カバー
３１０ａ：切削水ノズル ３１０ｂ：切削水流入口
３１１：着脱カバー
３１１ａ：切削水ノズル ３１１ｂ：切削水流入口 ３１１ｃ：ボルト
３１２：ブレード検出手段 ３１２ｃ：ボルト
３２：スピンドルハウジング
３２０：ラジアルエアベアリング ３２１：スラストエアベアリング
３３：スピンドル ３３０：スラストプレート ３３ａ：雌ねじ
３４：ボルト
３５：モータ ３５０：ロータ ３５１：ステータ
３６：電源
３７：超音波振動付与手段
３７０：超音波振動子 ３７１：ロータリートランス ３７２：超音波電源部
４：カセット載置領域 ４ａ：カセット
５：搬出入手段 ５ａ：仮置き手段
６ａ：第一の搬送手段 ６ｂ：第二の搬送手段
７：アライメント手段 ７０：撮像手段
８：洗浄手段

Claims (2)

1. 被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物を切削する回転可能な切削ブレードを有する切削手段と、該切削ブレードを超音波振動させる超音波振動付与手段と、該切削ブレードに切削水を供給する切削水供給手段とを少なくとも備えた超音波振動切削装置であって、
   該切削ブレードは、リング状の基台と、該基台から外周側に突出して形成された環状の切刃とを有し、
   該切削水供給手段は、該切刃の表面及び裏面に向けてそれぞれ切削水を噴出する一対の切削水ノズルにより構成され、
   該基台は、該切刃を基準として回転軸方向に対称に形成され、
   該切刃の該基台からの突出量は、該切刃の厚さの２０倍以下であり、
   該一対の切削水ノズルは、回転する該切刃の突出した表面及び裏面の全面に対して切削水を噴出する
   超音波振動切削装置。
2. 請求項１に記載の超音波振動切削装置を使用して被加工物を切削する切削方法であって、
   前記保持手段に保持された被加工物に対して回転する前記切刃を切り込ませると共に、前記一対の切削水ノズルのそれぞれから、該切刃の突出した表面及び裏面の全面に対して等しい圧力で切削水を噴出する
   被加工物の切削方法。

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