JP2014190527A - エアスピンドル、及び、切削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピンドル長を短くしても十分な軸受け剛性を確保することができる新規な構造のエアスピンドルを提供する。
【解決手段】ラジアルエアベアリング７３Ａは、エアを排出するエア排出路７５にスピンドル４９の軸方向で前後に挟まれる位置に位置付けられ、スピンドルの軸方向に離れた３つの領域のそれぞれにおいて、内周面から高圧エアを噴出する複数の噴出孔７２Ｃを周方向に等間隔に有し、３つの領域のうち両端の領域の噴出孔の周方向の配置は、互いに同一であり、３つの領域のうち中央の領域の噴出孔の周方向の配置は、両端の領域において周方向に隣り合う噴出孔の中間の位置に中央の領域の噴出孔が位置するように配置され、噴出孔中央の領域の噴出孔から噴射されたエアは、両端の領域の噴出孔の間を通ってエア排出路に排出される。
【選択図】図５

Description

本発明は、エアスピンドルに関する。

従来、半導体ウェーハを切削加工するダイシング装置や、研削加工するグラインディング装置等に用いられ、先端に装着された回転工具を高速回転させるためにスピンドルをエアベアリングで回転可能に支持する機構（本明細書では、これをエアスピンドルとして定義する）は広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。

エアスピンドルは、特許文献１にも開示されるように、円筒状部材とスピンドルの間の隙間に高圧エアからなるエア層を形成し、このエア層によってスピンドルを軸承する構造とされている。

また、半径方向においてスピンドルを支持する部位は、ラジアルエアベアリングとして構成され、軸方向においてスピンドルを指示する部位は、スラストエアベアリングとして構成される。

ここでラジアルエアベアリングは、エアをスピンドルに対して噴出することで、軸受けとなるエア層が形成されるものであるが、エアの噴出と排気をスムーズに行うことで剛性の高い軸受けを形成できるものとされている。

一般的なエアスピンドルは、周方向に複数の噴出孔を１列又は２列並べることでラジアルエアベアリングを構成し、軸方向におけるラジアルエアベアリングの両側にそれぞれ排出路が形成される構造としている。

これにより、ラジアルエアベアリングは排出路によって挟まれるように配置されており、エアはラジアルエアベアリングの軸方向両側の排出路からスムーズに排出されるようになっている。

なお、特許文献１では、周方向に並ぶ複数個の噴出孔からなる列が合計４列設けられており、噴出孔の各列が、軸方向に離間して配置されるラジアルエアベアリングの例が開示されている。

特開２００４−３４０２４１号公報

特に半導体製造工程で上述のような装置が用いられる場合には、設置する工場のクリーンルームの維持費用が高い等の理由により、常に省フットプリント、つまりは、装置の設置面積を小さくすることが課題とされる。また、稼動費用を削減するために、使用するエア流量を削減し、省エネルギー化を図ることも課題とされる。

このような課題を解決するための対策の一つとして、スピンドルの大きさを小さくすることが考えられ、特に、長さ（スピンドル長）を短くすることが有効な対策となるものと考えられる。

しかしながら、スピンドル長を短くすると、スピンドルの先端からラジアルエアベアリングの噴出孔の列までの距離が短くなり、また、隣り合う噴出孔の列同士の間隔が短くなってしまう。

このため、スピンドル長を短くする場合には、先端に装着する回転工具にかかる力に対抗するための十分な軸受け剛性を確保することが困難となるため、所謂かじり現象（軸受けとなるエア層の厚さが無くなりスピンドルとラジアルエアベアリング形成部材の内周が接触する現象）を確実に防ぐための対策を講じる必要がある。

さらに、例えば、周方向において２列の噴出孔からなる噴出領域を１セットとし、このセットを何セットも多く設けることによって軸受け剛性を確保することも考えられるが、噴出孔から噴出されるエアの噴射量の増大につながり、省エネルギー化を図ることができない。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スピンドル長を短くしても十分な軸受け剛性を確保することができる新規な構造のエアスピンドルを提供することである。

請求項１に記載の発明によると、スピンドルと、スピンドルをラジアル方向に回転可能に支持するラジアルエアベアリングと、ラジアルエアベアリングを保持するスピンドルハウジングと、を少なくとも備えたエアスピンドルであって、ラジアルエアベアリングは、エアを排出するエア排出路にスピンドルの軸方向で前後に挟まれる位置に位置付けられ、スピンドルの軸方向に離れた３つの領域のそれぞれにおいて、内周面から高圧エアを噴出する複数の噴出孔を周方向に等間隔に有し、３つの領域のうち両端の領域の噴出孔の周方向の配置は、互いに同一であり、３つの領域のうち中央の領域の噴出孔の周方向の配置は、両端の領域において周方向に隣り合う噴出孔の中間の位置に中央の領域の噴出孔が位置するように配置され、噴出孔中央の領域の噴出孔から噴射されたエアは、両端の領域の噴出孔の間を通ってエア排出路に排出される、ことを特徴とするエアスピンドルが提供される。

請求項２に記載の発明によると、３つの領域のそれぞれの領域において、噴出孔は、周方向に９０度の間隔で計４箇所に配置され、中央の領域の噴出孔は、周方向において両端の領域の噴出孔と４５度ずれた位置に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のエアスピンドルが提供される。

請求項３に記載の発明によると、被加工物を保持するチャックテーブルと、スピンドルの先端に装着された切削ブレードでチャックテーブルに保持された被加工物を切削する切削手段と、を備えた切削装置であって、スピンドルは、請求項１又は請求項２に記載のエアスピンドルである、ことを特徴とする切削装置が提供される。

本発明によると、中央の領域の噴出孔から噴射されたエアを、スムーズに両端の領域の噴出孔の間を通ってエア排出路に排出させることができ、３つの領域に噴出孔を周方向に配列してなるエアスピンドルの構成において、十分な軸受け剛性を確保することができる。そして、従来の１対のエア排出路と２つの領域の噴出孔が１セットとなったラジアル軸受けがスピンドルの軸方向の前後に各１つずつ配置される構成のものと比べ、１対のエア排出路と３つの領域の噴出孔の１セットでスピンドルを軸承可能であるため、剛性を保ったままスピンドル長を短くすることも可能となり、切削装置の省フットプリント化が図られる。

さらに、請求項２の構成によれば、中央の領域の列が両端の領域と比較して４５度ずれた位置にあるため、エア流量がまだらな部分を補うことが可能となり、最低限の噴出口の数で周方向に満遍なくエア層を形成できるという効果も奏する。これにより、噴射量の削減が実現可能となり、省エネルギー化を図ることができる。

本発明実施形態の切削装置の概略構成図である。 ダイシングテープを介して環状フレームに支持された半導体ウェーハの斜視図である。 切削ユニットの概要について説明する斜視図である。 スピンドルハウジングの内部構造について示す断面図である。 スピンドルを省略したスピンドルハウジングの内部構造について示す断面図である。 （Ａ）は図５のＡ−Ａ線断面図である。（Ｂ）は図５のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明実施形態に係る切削装置２を図面を参照して詳細に説明する。図１は、切削装置２の概略構成図を示している。切削装置２は、静止基台４上に搭載されたＸ軸方向に伸長する一対のガイドレール６を含んでいる。

Ｘ軸移動ブロック８は、ボール螺子１０及びパルスモータ１２とから構成されるＸ軸送り機構（Ｘ軸送り手段）１４により加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。Ｘ軸移動ブロック８上には円筒状支持部材２２を介してチャックテーブル２０が搭載されている。

チャックテーブル２０は多孔性セラミックス等から形成された吸着部（吸着チャック）２４を有している。チャックテーブル２０には図２に示す環状フレームＦをクランプする複数（本実施形態では４個）のクランパ２６が配設されている。

図２に示すように、切削装置２の加工対象である半導体ウェーハＷの表面においては、第１のストリートＳ１と第２のストリートＳ２とが直交して形成されており、第１のストリートＳ１と第２のストリートＳ２とによって区画された領域に多数のデバイスＤが形成されている。

ウェーハＷは粘着テープであるダイシングテープＴに貼着され、ダイシングテープＴの外周部は環状フレームＦに貼着されている。これにより、ウェーハＷはダイシングテープＴを介して環状フレームＦに支持された状態となり、図１に示すクランパ２６により環状フレームＦをクランプすることにより、チャックテーブル２０上に支持固定される。

図１において、Ｘ軸送り機構１４は、ガイドレール６に沿って静止基台４上に配設されたスケール１６と、スケール１６のＸ座標値を読みとるＸ軸移動ブロック８の下面に配設された読み取りヘッド１８とを含んでいる。読み取りヘッド１８は切削装置２のコントローラに接続されている。

静止基台４上には更に、Ｙ軸方向に伸長する一対のガイドレール２８が固定されている。Ｙ軸移動ブロック３０は、ボール螺子３２及びパルスモータ３４とから構成されるＹ軸送り機構（割り出し送り機構）３６によりＹ軸方向に移動される。

Ｙ軸移動ブロック３０にはＺ軸方向に伸長する一対の（一本のみ図示）ガイドレール３８が形成されている。Ｚ軸移動ブロック４０は、図示しないボール螺子とパルスモータ４２から構成されるＺ軸送り機構４４によりＺ軸方向に移動される。

４６は切削ユニット（切削手段）であり、切削ユニット４６のスピンドルハウジング４８がＺ軸移動ブロック４０中に挿入されて支持されている。

図３に示すように、スピンドルハウジング４８中にはスピンドル４９が収容されており、このスピンドル４９がスピンドルハウジング４８内に構成されるエアベアリングにより回転可能に支持されている。スピンドル４９はモータ６２により回転駆動され、スピンドル４９の先端部には切削ブレード５０が着脱可能に装着されている。

図１に示すように、スピンドルハウジング４８にはアライメントユニット（アライメント手段）５２が搭載されている。アライメントユニット５２はチャックテーブル２０に保持されたウェーハＷを撮像する撮像ユニット（撮像手段）５４を有している。切削ブレード５０と撮像ユニット５４はＸ軸方向に整列して配置されている。

特に図示しないが、Ｙ軸送り機構３６及びＺ軸送り機構４４も、Ｘ軸送り機構１４と同様に、ガイドレール２８，３８に沿って配設されたスケールと、スケールのＹ座標値又はＺ座標値を読み取る読み取りヘッドとを含んでいる。

次に、図４乃至図６に示すエアスピンドル４７の構成について説明する。エアスピンドル４７とは、先端に装着された回転工具としての切削ブレード５０を高速回転させるために、スピンドル４９をエアベアリングで回転可能に支持する機構を言う。本実施形態では、円筒状部材であるスピンドルハウジング４８の中にスピンドル４９を通し、スピンドルハウジング４８とスピンドル４９の間の隙間に高圧エアからなるエア層７３（エアベアリング）を形成し、このエア層７３によってスピンドル４９を軸承する構造を有するものをいう。

図４乃至図６に示すように、円筒状のスピンドルハウジング４８の内部には、円筒状のラジアルエアベアリング形成部材７１がスピンドルハウジング４８と同軸上に設けられている。ラジアルエアベアリング形成部材７１は、例えば、カーボンで構成することができる。

スピンドルハウジング４８の筒内表面と、ラジアルエアベアリング形成部材７１の筒外表面の間には隙間が形成されており、この隙間によって、軸方向に伸長する環状エア供給路７２が構成されている。環状エア供給路７２には、図示しないエア供給源から高圧エアが供給される。

ラジアルエアベアリング形成部材７１の筒内部には、スピンドル４９が貫装されている。ラジアルエアベアリング形成部材７１の筒内表面とスピンドル４９の外表面の間には、隙間が形成されており、この隙間によって、軸方向に伸長するエア層７３が構成されている。

環状エア供給路７２とエア層７３は、ラジアルエアベアリング形成部材７１に形成された複数の分岐路７２ａを介して通じている。各分岐路７２ａには噴出孔７２ｃが形成され、噴出孔７２ｃを通じて高圧エアをエア層７３に供給することで、エア層７３が高圧状態となり、このエア層７３によってスピンドル４９の外周面が軸承される。このようにして、エア層７３により、ラジアルエアベアリング７３Ａが形成される。

エア層７３は、スピンドルハウジング４８に形成されるエア排出路７５（低圧側経路）と通じている。エア層７３に供給された高圧エアがエア排出路７５にスムーズに排出されることで、剛性の高いラジアルエアベアリング７３Ａが構成される。

エア排出路７５は、ラジアルエアベアリング形成部材７１の軸方向の両側の位置にも形成されており、これにより、ラジアルエアベアリング７３Ａがエア排出路７５によって前後が挟まれる位置に位置付けられている。

また、切削ブレード５０が固定されるスピンドル４９の先端側（前方側（図４で左側））において、スピンドルハウジング４８の内部となる位置には、環状スラストプレート６８がスピンドル４９と一体的に構成されている。

上述した環状エア供給路７２は、スピンドルハウジング４８内で分岐され、環状スラストプレート６８の両面を挟み込む位置において複数の分岐路７２ｂを形成すべく構成されており、各分岐路７２ｂには噴出孔７２ｄが形成されている。

この噴出孔７２ｄは、環状スラストプレート６８とスピンドルハウジング４８の間の隙間によって形成されるエア層７６に通じている。エア層７６は、環状スラストプレート６８の両面を挟み込むように構成され、噴出孔７２ｄは、環状スラストプレート６８の両面に対向する位置に配置されている。

噴出孔７２ｄを通じて高圧エアがエア層７６に供給されることで、エア層７６が高圧状態となり、このエア層７６によって環状スラストプレート６８の両側面（軸方向の両側端面）が軸承される。このようにして、エア層７６により、スラストエアベアリング７６Ａが形成される。

以上の構成により、図示せぬエア供給源からの高圧エア（圧縮エア）が環状エア供給路７２を介して、ラジアルエアベアリング７３Ａ、スラストエアベアリング７６Ａに供給され、高速回転するスピンドル４９が安定して支持されるエアスピンドル４７が構成される。

以上の基本的構成に加え、ラジアルエアベアリング形成部材７１においては、軸方向に離間する３つの領域Ａ１〜Ａ３のそれぞれにおいて、複数の噴出孔７２ｃが周方向に等間隔となるように配設されている。

図５に示すように、軸方向の前側から順に、領域Ａ１，Ａ２，Ａ３とし、各領域において周方向に１列をなすように、複数の噴出孔７２ｃが配設されている。

そして、前後の位置となる両端の領域Ａ１，Ａ３においては、図６（Ａ）のＢ−Ｂ線（図５）断面に示すように、噴出孔７２ｃが周方向に９０度の間隔で計４箇所に配置されている。

他方、３つの領域のうち、中央の領域Ａ２においても、図６（Ｂ）のＣ−Ｃ線（図５）断面に示すように、噴出孔７２ｃが周方向に９０度の間隔で計４箇所に配置されている。

そして、図６（Ａ）（Ｂ）を対照して明らかなように、中央の領域Ａ２（図６（Ｂ））の噴出孔７２ｃは、周方向において両端の領域Ａ１，Ａ３（図６（Ａ））の噴出孔７２ｃと、軸断面視において、４５度ずれた位置に配置される。

図５は、スピンドル２６を省略した図であり、ラジアルエアベアリング形成部材７１の筒内表面７１ａに噴出孔７２ｃが現れており、中央の領域Ａ２と、両端の領域Ａ１，Ａ３では、互いに４５度ずれた関係で、噴出孔７２ｃが配置されることが示されている。

以上のような噴出孔７２ｃの配置によって、図５の矢印Ｙ２に示すように、中央の領域Ａ２の噴出孔７２ｃから排出された高圧エアは、両端の領域Ａ１，Ａ３の噴出孔７２ｃから排出される矢印Ｙ１，Ｙ３で示される高圧エアと干渉することなく、スムーズにエア排出路７５へと排出されることができる。

他方、両端の領域Ａ１，Ａ３の噴出孔７２ｃから排出される高圧エアの一部は、矢印Ｙ３，Ｙ５で示されるように、エア排出路７５にスムーズに排出されることになる。

加えて、両端の領域Ａ１，Ａ３の噴出孔７２ｃから排出される高圧エアについて、互いに近づく方向に流れる矢印Ｙ４，Ｙ５で示される高圧エアは、領域Ａ１，Ａ３が互いに離れているため、互いに影響を及ぼし難く、矢印Ｙ２に示される領域Ａ２の噴出孔７２ｃから排出される高圧エアの流れに悪影響が及ぼされにくいものとなる。

以上のようにして本発明を実施することができる。即ち、スピンドル４９と、スピンドル４９をラジアル方向に回転可能に支持するラジアルエアベアリング７３Ａと、ラジアルエアベアリング７３Ａを保持するスピンドルハウジング４８と、を少なくとも備えたエアスピンドル４７であって、ラジアルエアベアリング７３Ａは、エアを排出するエア排出路７５にスピンドル４９の軸方向で前後に挟まれる位置に位置付けられ、スピンドル４９の軸方向に離れた３つの領域のそれぞれにおいて、内周面から高圧エアを噴出する複数の噴出孔７２ｃを周方向に等間隔に有し、３つの領域のうち両端の領域Ａ１，Ａ３の噴出孔７２ｃの周方向の配置は、互いに同一であり、３つの領域のうち中央の領域Ａ２の噴出孔７２ｃの周方向の配置は、両端の領域Ａ１，Ａ３において周方向に隣り合う噴出孔７２ｃの中間の位置に中央の領域の噴出孔７２ｃが位置するように配置され、中央の領域Ａ２の噴出孔７２ｃから噴射されたエアは、両端の領域Ａ１，Ａ３の噴出孔７２ｃの間を通ってエア排出路７５に排出される、ことを特徴とするエアスピンドル４７とするものである。

これにより、中央の領域Ａ２の噴出孔７２ｃから噴射されたエアを、スムーズに両端の領域Ａ１，Ａ３の噴出孔７２ｃの間を通ってエア排出路７５に排出させることができ、３つの領域に噴出孔７２ｃを周方向に配列してなるエアスピンドル４７の構成において、十分な軸受け剛性を確保することができる。そして、１対のエア排出路に対して多い３つの領域の噴出孔７２ｃの配置でスピンドル４９を確実に軸承する構成が実現できるため、従来の１対のエア排出路と２つの領域の噴出孔が１セットとなったラジアル軸受けがスピンドルの軸方向の前後に各１つずつ配置される構成のものと比べ、剛性を保ったままスピンドル長を短くすることも可能となり、切削装置２の省フットプリント化が図られる。

なお、噴出孔７２ｃの数や孔径については、スピンドル４９の直径によって適宜選択されうるものであり、上記の実施形態に限定されるものではない。

さらに、好ましい実施形態として、３つの領域のそれぞれの領域Ａ１〜Ａ３において、噴出孔７２ｃは、周方向に９０度の間隔で計４箇所に配置され、中央の領域Ａ２の噴出孔７２ｃは、周方向において両端の領域Ａ１，Ａ３の噴出孔７２ｃと４５度ずれた位置に配置される、こととする。

これによれば、中央の領域Ａ２の列が両端の領域Ａ１，Ａ３と比較して４５度ずれた位置にあるため、エア流量がまだらな部分を補うことが可能となり、最低限の噴出口の数で周方向に満遍なくエア層７３を形成できるという効果も奏する。これにより、噴射量の削減が実現可能となり、省エネルギー化を図ることができる。

具体的には、例えば、従来の４５度間隔の合計８箇所に噴出孔を設けた構成に加え、同等の剛性を維持したまま約１／４以上のエア流量の削減を可能とすることができ、噴出孔の径も小さくすることが可能となるため、実施の際には、例えば、従来の１／４程度のエア流量でのオペレーションができることが期待される。

なお、通常３６０度の周方向において、９０度間隔の４箇所の噴出孔７２ｃでは噴射量が少なく、また、噴出孔７２ｃ同士の間隔が大きいためエア流量がまだらになってしまうため、例えば４５度方向へのスピンドル４９のぶれが弱まることが懸念され問題となるが、上記の構成によればこのような問題を回避できる。

また、図１に示すように、被加工物としてのウェーハＷを保持するチャックテーブル２０と、スピンドル４９の先端に装着された切削ブレード５０でチャックテーブル２０に保持されたウェーハＷを切削する切削ユニット（切削手段）４６と、を備えた切削装置２であって、スピンドル４９は、上述のエアスピンドル４７であることとする。

これによれば、従来と比較して少ない３つの領域の噴出孔７２ｃの配置でスピンドル４９を確実に軸承する構成が実現できるため、スピンドル長を短くすることも可能となり、切削装置２の省フットプリント化が図られる。

２ 切削装置
２０ チャックテーブル
４６ 切削ユニット
４７ エアスピンドル
４８ スピンドルハウジング
４９ スピンドル
５０ 切削ブレード
７１ ラジアルエアベアリング形成部材
７１ａ 筒内表面
７２ 環状エア供給路
７２ａ 分岐路
７２ｂ 分岐路
７２ｃ 噴出孔
７２ｄ 噴出孔
７３ エア層
７３Ａ ラジアルエアベアリング
７５ エア排出路

Claims (3)

1. スピンドルと、該スピンドルをラジアル方向に回転可能に支持するラジアルエアベアリングと、
   該ラジアルエアベアリングを保持するスピンドルハウジングと、
   を少なくとも備えたエアスピンドルであって、
   該ラジアルエアベアリングは、
   エアを排出するエア排出路にスピンドルの軸方向で前後に挟まれる位置に位置付けられ、
   該スピンドルの軸方向に離れた３つの領域のそれぞれにおいて、内周面から高圧エアを噴出する複数の噴出孔を周方向に等間隔に有し、
   該３つの領域のうち両端の領域の該噴出孔の周方向の配置は、互いに同一であり、
   該３つの領域のうち中央の領域の該噴出孔の周方向の配置は、該両端の領域において周方向に隣り合う該噴出孔の中間の位置に中央の領域の該噴出孔が位置するように配置され、
   該中央の領域の該噴出孔から噴射されたエアは、該両端の領域の該噴出孔の間を通って該エア排出路に排出される、
   ことを特徴とするエアスピンドル。
2. 前記３つの領域のそれぞれの領域において、前記噴出孔は、周方向に９０度の間隔で計４箇所に配置され、
   前記中央の領域の該噴出孔は、周方向において前記両端の領域の該噴出孔と４５度ずれた位置に配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエアスピンドル。
3. 被加工物を保持するチャックテーブルと、
   スピンドルの先端に装着された切削ブレードで該チャックテーブルに保持された該被加工物を切削する切削手段と、
   を備えた切削装置であって、
   該スピンドルは、請求項１又は請求項２に記載のエアスピンドルである、
   ことを特徴とする切削装置。
   
   

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