JP2018015859A

JP2018015859A - スピンドルユニット

Info

Publication number: JP2018015859A
Application number: JP2016149652A
Authority: JP
Inventors: 隆太郎小川; Ryutaro Ogawa
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-02-01

Abstract

【課題】ゴミによるスピンドル軸の齧りを防止すること。
【解決手段】スピンドルユニット（４２）が、研削ホイール（４６）が装着されたスピンドル軸（４４）と、スピンドル軸を回転可能に支持するケーシング（４３）と、ケーシングに形成された多数の噴射口（７１）を備え、多数の噴射口から高圧エアを噴射することで、ラジアルエアベアリング及びスラストエアベアリングを介してスピンドル軸をケーシングに支持している。各噴射口がスピンドル軸とケーシングとの隙間より小さい穴で構成されることで、スピンドル軸とケーシングの隙間よりも大きなゴミが噴射口から排出されないため、スピンドル軸の齧りを確実に防止することが可能になっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、先端に加工具が装着されたスピンドルユニットに関する。

切削装置や研削装置等の加工装置では、スピンドルユニットによって加工具を回転させることでウエーハを加工している。これら加工装置のスピンドルユニットは、スピンドル軸を高圧エアで支持するエアスピンドルで構成される。例えば、研削装置のスピンドルユニットは、ケーシング内でスピンドル軸を直立姿勢で支持しており、ケーシングから突出したスピンドル軸の先端のマウントに研削ホイールが装着されている。研削加工では、研削荷重がスピンドル軸方向に作用するため、スピンドル軸に形成されたフランジ部とケーシングの支持面との間に高圧エアでスラストベアリングが形成されている。

ところで、サファイア、シリコンカーバイド等の硬質のウエーハを研削する場合には、研削砥石をウエーハに強く押し付けながら研削ホイールを回転させる必要がある。このとき、研削荷重に耐えられる程度でスピンドル軸の浮上量を少なくし、スピンドル軸とケーシングの隙間を狭くすることでスピンドル軸の傾きを抑えている。しかしながら、スピンドル軸の浮上量が少なくなることで、ベアリング内に進入した小さなゴミがスピンドル軸とケーシングの間に挟まり易くなる。このため、スピンドル軸の表面をコーティングしてゴミを滑り易くする構成も検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−０４８１０２号公報

特許文献１に記載のスピンドルユニットは、スピンドル軸の表面をコーティングしてゴミを滑らせ易くすることで、スピンドル軸とケーシングの間にゴミが挟まり難くなるが、完全にゴミの挟まりを防止することはできない。ゴミによってコーティング層が傷付けられると、コーティング層の傷にゴミが引っ掛ることでスピンドル軸とケーシングの間にゴミが詰まって、スピンドル軸が齧って回転できなくなる。このように、コーティングの有無に関わらず、スピンドル軸が齧ってしまうという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ゴミによるスピンドル軸の齧りを防止することができるスピンドルユニットを提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様のスピンドルユニットは、先端に加工具を装着するスピンドル軸と、ラジアルエアベアリングとスラストエアベアリングとを有し該スピンドル軸を回転可能に支持するケーシングと、該ケーシングから該ラジアルエアベアリングと該スラストエアベアリングとに高圧エアを噴射する噴射口とを備えるスピンドルユニットであって、該噴射口は、該ラジアルエアベアリングと該スラストエアベアリングで支持される該スピンドル軸と該ケーシングとの隙間より小さい穴で構成される。

この構成によれば、噴射口から高圧エアが噴射されてスピンドル軸とケーシングの間のラジアルエアベアリングとスラストエアベアリングでスピンドル軸が浮動支持される。このとき、噴射口を構成する穴がスピンドル軸とケーシングの隙間よりも小さく形成されているため、スピンドル軸とケーシングの隙間よりも大きなゴミが噴射口から排出されることがない。よって、噴射口から排出されたゴミがスピンドル軸とケーシングの隙間に挟み込まれることがなく、スピンドル軸の齧りを確実に防止することができる。

本発明によれば、噴射口を構成する穴がスピンドル軸とケーシングの隙間よりも小さく形成されているため、噴射口から排出されたゴミがスピンドル軸とケーシングの隙間に挟み込まれることがなく、スピンドル軸の齧りを確実に防止することができる。

本実施の形態の研削装置の斜視図である。比較例の研削装置のスピンドルユニットの断面模式図である。本実施の形態の研削装置のスピンドルユニットの断面模式図である。本実施の形態の噴射口の説明図である。本実施の形態の噴射口によるバリの捕捉状態の説明図である。変形例の切削装置のスピンドルユニットの断面模式図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態の研削装置について説明する。図１は、本実施の形態の研削装置の斜視図である。なお、加工装置として研削装置を例示して説明するが、本実施の形態のスピンドルユニットを備えた加工装置であればよい。また、研削装置は、図１に示すように研削加工専用の装置構成に限定されず、例えば、研削加工、研磨加工、洗浄加工等の一連の加工が全自動で実施されるフルオートタイプの加工装置に組み込まれてもよい。

図１に示すように、研削装置１は、多数の研削砥石４７を環状に並べた研削ホイール（加工具）４６を用いて、保持テーブル２０に保持されたウエーハＷを研削するように構成されている。ウエーハＷは保護テープＴが貼着された状態で研削装置１に搬入され、保護テープＴを介して保持テーブル２０に保持される。なお、ウエーハＷは、研削対象となる板状部材であればよく、シリコン、ガリウム砒素等の半導体ウエーハでもよいし、セラミック、ガラス、サファイア等の光デバイスウエーハでもよいし、デバイスパターン形成前のアズスライスウエーハでもよい。

研削装置１の基台１０の上面には、Ｘ軸方向に延在する矩形状の開口が形成され、この開口は保持テーブル２０と共に移動可能な移動板１１及び蛇腹状の防水カバー１２に覆われている。防水カバー１２の下方には、保持テーブル２０をＸ軸方向に移動させるボールねじ式の進退手段（不図示）が設けられている。保持テーブル２０は回転手段（不図示）に連結されており、回転手段の駆動によって回転可能に構成されている。また、保持テーブル２０の上面には、多孔質のポーラス材によってウエーハＷを吸引保持する保持面２１が形成されている。

基台１０上のコラム１５には、研削手段４０を保持テーブル２０に対して接近及び離反させる方向（Ｚ軸方向）に研削送りする研削送り手段３０が設けられている。研削送り手段３０は、コラム１５に配置されたＺ軸方向に平行な一対のガイドレール３１と、一対のガイドレール３１にスライド可能に設置されたモータ駆動のＺ軸テーブル３２とを有している。Ｚ軸テーブル３２の背面側には図示しないナット部が形成され、これらナット部にボールネジ３３が螺合されている。ボールネジ３３の一端部に連結された駆動モータ３４によりボールネジ３３が回転駆動されることで、研削手段４０がガイドレール３１に沿ってＺ軸方向に移動される。

研削手段４０は、ハウジング４１を介してＺ軸テーブル３２の前面に取り付けられており、スピンドルユニット４２で研削ホイール４６を中心軸回りに回転させるように構成されている。スピンドルユニット４２は、いわゆるエアスピンドルであり、ケーシング４３の内側で高圧エアを介してスピンドル軸４４を回転可能に支持している。スピンドル軸４４の先端にはマウント４５が連結されており、マウント４５には多数の研削砥石４７が環状に配設された研削ホイール４６が装着されている。研削砥石４７は、ダイヤモンド砥粒をメタルボンドやレジンボンド等の結合剤で固めて形成されている。

また、研削手段４０の高さ位置は、リニアスケール５１によって測定されている。リニアスケール５１は、Ｚ軸テーブル３２に設けた読取部５２でガイドレール３１の表面に設けたスケール部５３の目盛りを読み取ることで、研削手段４０の高さ位置を測定している。基台１０の上面には、ウエーハＷの厚みを測定する厚み測定手段５５が設けられている。厚み測定手段５５は、保持テーブル２０の保持面２１及びウエーハＷの上面に一対の接触子５６、５７を接触させ、保持テーブル２０の保持面高さとウエーハＷの上面高さの差分からウエーハＷの厚みを測定している。

また、研削装置１には、装置各部を統括制御する制御手段５０が設けられている。制御手段５０は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等により構成される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成される。この研削装置１では、研削ホイール４６に配設された研削砥石４７をウエーハＷの上面に押し付けながら回転させることでウエーハＷが所定厚みまで薄化される。このとき、研削手段４０は、リニアスケール５１及び厚み測定手段５５の測定結果に基づいて制御手段５０によって研削送り量が制御される。

ところで、図２に示すように、比較例の研削装置ではスピンドルユニット１０１としてエアスピンドルが採用されており、ケーシング１０２の噴射口１０４から高圧エアを噴射して、ケーシング１０２に対してスピンドル軸１０３を非接触で回転させることが可能になっている。この場合、スピンドル軸１０３の軸ブレを抑えるために、スピンドル軸１０３とケーシング１０２の隙間が狭く設計されている。このため、何らかの原因でスピンドル軸１０３とケーシング１０２の狭い隙間（例えば、５μｍ）に小さなゴミ（例えば、５μｍ以上）が挟まると、スピンドル軸１０３が齧って回転しなくなるという問題がある。

ここで、本件発明者がゴミの発生原因を調査したところ、ケーシング１０２内の流路１０５で発生したバリＦ等のゴミが噴射口１０４から排出されることを発見した。ケーシング１０２内の流路１０５はＬ字状に曲げや、複数の流路１０５の合流を含んで形成されており、流路１０５の曲げや合流を形成するためには複数の部材を組み合わせてケーシング１０２を形成する必要がある。この流路１０５はＬ字状に曲げや合流の形成する交差部分にバリＦ等のゴミが残っており、これらのゴミが高圧エアで噴射口１０４から排出されると考えられる。通常、ケーシング１０２の流路１０５内は洗浄されているが、洗浄だけでは流路１０５内のバリＦを取り去ることは難しい。

そこで、本実施の形態のスピンドルユニット４２（図３参照）は、ケーシング４３の流路７２にケーシング１０２の製造時のバリ等のゴミが残っている点に着目し、スピンドル軸４４とケーシング４３の隙間よりも小さなゴミだけを噴射口７１を通過させるようにしている。スピンドル軸４４とケーシング４３との隙間よりも小さな穴で噴射口７１を構成することで、比較的大きなゴミを噴射口７１で捕捉して比較的小さなゴミだけを噴射口７１を通過させる。これにより、噴射口７１から排出されたゴミがスピンドル軸４４とケーシング４３の隙間に詰まることがなく、スピンドル軸４４の齧りが防止される。

以下、図３及び図４を参照して、本実施の形態のスピンドルユニットについて説明する。図３は、本実施の形態のスピンドルユニットの断面模式図である。図４は、本実施の形態の噴射口の説明図である。なお、図４Ａは噴射口の上面模式図、図４Ｂは噴射口の断面模式図をそれぞれ示している。

図３に示すように、スピンドルユニット４２は、直立姿勢のスピンドル軸４４をケーシング４３で囲繞して、スピンドル軸４４の側面に対してケーシング４３から高圧エアを噴出させて、スピンドル軸４４を回転可能に支持するエアベアリングを形成している。スピンドル軸４４の先端には研削ホイール４６を装着したマウント４５が接続され、スピンドル軸４４の後端には回転駆動源のモータ６１が連結されている。モータ６１は、スピンドル軸４４の上端部分に設けられたロータ６２と、冷却ジャケット６４を介してケーシング４３の内周面に設けられたステータ６３とで構成されている。冷却ジャケット６４内には多数の冷却水路６５が形成されており、冷却水路６５によってモータ６１の発熱が抑えられている。

スピンドル軸４４の下端部分及び中間部分には大径の円板部６６、６７が形成され、ケーシング４３の下端部分には円板部６６、６７の間に入り込むように環状部６８が形成されている。この場合、スピンドル軸４４の円板部６６、６７とケーシング４３の環状部６８の間には、高圧エアの通り路になる僅かな隙間が設けられている。環状部６８の外面には多数の噴射口７１が形成されており、各噴射口７１はケーシング４３内に形成された流路７２を通じてエア供給源７９に接続されている。エア供給源７９から供給された高圧エアは、ケーシング４３内の流路７２のＬ字状の曲がり箇所や複数の流路７２の合流箇所を通って各噴射口７１から噴射される。

環状部６８の多数の噴射口７１からスピンドル軸４４の外面に高圧エアが噴射されることで、スピンドル軸４４がケーシング４３に対して高圧エアを介して浮動支持される。これにより、ケーシング４３にラジアルエアベアリングとスラストエアベアリングが形成され、ラジアルエアベアリングとスラストエアベアリングによって径方向及び軸方向でスピンドル軸４４が回転可能に支持される。このとき、スラストベアリングによって広い範囲でスピンドル軸４４の円板部６６、６７が浮動支持されているため、スピンドル軸４４に対してスラスト方向に作用する加工負荷が適度に分散されている。

このとき、ラジアルエアベアリング及びスラストエアベアリングが狭く形成されており、スピンドル軸４４の軸ブレが抑えられている。ラジアルエアベアリング及びスラストエアベアリングに対して多数の噴射口７１から高圧エアが噴射されることで浮動支持が維持される。スピンドル軸４４とケーシング４３内の高圧エアは、モータ６１を空冷しながらスピンドルユニット４２の上方から排気されると共に、ケーシング４３の下端に設けられたカバー７７の内側を通ってスピンドルユニット４２の下方から排気される。カバー７７の下部内面には、カバー７７内への研削水の進入を防止する帯状のスポンジ材７８が取り付けられている。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、各噴射口７１はメッシュ７３で構成されており、メッシュ７３の網目の間隔Ｌ１（目開き）はラジアルベアリング及びスラストベアリングで支持されるスピンドル軸４４とケーシング４３の隙間Ｌ２より小さく形成されている。例えば、スピンドル軸４４とケーシング４３の隙間Ｌ２が５μｍである場合には、メッシュ７３の網目の間隔Ｌ１は５μｍ以下で形成されている。このため、加工中に流路７２の曲がり箇所や複数の流路７２の合流箇所からバリＦが脱落しても、メッシュ７３の網目で大きなバリＦが捕捉されるため、スピンドル軸４４とケーシング４３の隙間Ｌ２に大きなバリＦが入り込むことがない。

なお、小さなバリＦはメッシュ７３の網目を通過するが、この小さなバリＦはスピンドル軸４４とケーシング４３の隙間Ｌ２よりも小さいため、スピンドル軸４４とケーシング４３の隙間に挟まることがない。このように、多数の噴射口７１のそれぞれをメッシュ７３で構成することにより、噴射口７１から排出されるゴミの大きさを制限している。これにより、流路７２内でバリＦが脱落しても、噴射口７１からは細かなバリしか排出されないため、スピンドル軸４４とケーシング４３の隙間Ｌ２にバリＦが挟まることがなく、スピンドル軸４４を齧らせることがない。

続いて、図５を参照して、噴射口によるバリの捕捉について説明する。図５は、本実施の形態の噴射口によるバリの捕捉状態の説明図である。なお、図５Ａは流路内のバリが脱落する前の状態、図５Ｂは流路内のバリが脱落した状態をそれぞれ示している。

図５Ａに示すように、研削の開始時にはケーシング４３の環状部６８の上下面及び内周面に形成された多数の噴射口７１から高圧エアが噴射され、ケーシング４３とスピンドル軸４４の間にラジアルエアベアリングとスラストエアベアリングが形成される。ラジアルエアベアリング及びスラストエアベアリングによってスピンドル軸４４が回転可能に支持され、スピンドル軸４４の先端側の研削ホイール４６（図３参照）によってウエーハＷが研削される。また、ケーシング４３内の流路７２の曲り箇所や複数の流路７２の合流箇所にはバリＦ（Ｆ１、Ｆ２）が残っている。

図５Ｂに示すように、研削中にはケーシング４３の流路７２内に高圧エアが流れ続けるため、流路７２の曲がり箇所や複数の流路７２の合流箇所からバリＦが脱落する場合がある。流路７２内で脱落したバリＦは高圧エアの流れに乗って噴射口７１まで運ばれるが、噴射口７１のメッシュ７３によって排出されるバリＦの大きさが制限される。ケーシング４３とスピンドル軸４４の隙間よりも大きなバリＦ１は噴射口７１のメッシュ７３に捕捉され、ケーシング４３とスピンドル軸４４の隙間よりも小さなバリＦ２は噴射口７１を通過してスピンドルユニット４２の下方から圧縮エアと共に排出される。

このように、ケーシング４３とスピンドル軸４４の隙間に挟まらない大きさのバリＦだけが噴射口７１から排出されている。また、ケーシング４３の下部にはカバー７７（図３参照）が設けられているため、研削時に発生した研削屑がカバー７７の内側に入り込み難くなっている。よって、ケーシング４３外で発生する研削屑だけでなく、ケーシング４３の流路７２内で発生するバリＦ１の進入を抑えてスピンドル軸４４の齧りを防止している。なお、噴射口７１のメッシュ７３が流路７２内のバリＦをゴミとして捕捉する構成にしたが、噴射口７１のメッシュ７３は流路７２内の塵埃等をゴミとして捕捉してもよい。

以上のように、本実施の形態のスピンドルユニット４２によれば、噴射口７１から高圧エアが噴射されて、スピンドル軸４４とケーシング４３の間のラジアルエアベアリングとスラストエアベアリングでスピンドル軸４４が浮動支持される。このとき、噴射口７１のメッシュ７３の網目７４がスピンドル軸４４とケーシング４３の隙間よりも小さく形成されているため、スピンドル軸４４とケーシング４３の隙間よりも大きなゴミが噴射口７１から排出されることがない。よって、噴射口７１から排出されたゴミがスピンドル軸４４とケーシング４３の隙間に挟み込まれることがなく、スピンドル軸４４の齧りを確実に防止することができる。

なお、本実施の形態では、研削装置１の研削ホイール４６を回転させるスピンドルユニット４２について説明したが、この構成に限定されない。本発明の構造は切削装置の切削ブレードを回転させるスピンドルユニットに適用することも可能である。以下、図６を参照して、切削装置のスピンドルユニットについて説明する。図６は、変形例の切削装置のスピンドルユニットの断面模式図である。

図６に示すように、スピンドルユニット８０は、横向姿勢のスピンドル軸８４をケーシング８３で囲繞して、スピンドル軸８４に対してケーシング８３から高圧エアを噴出させて、スピンドル軸８４を回転可能に支持するエアベアリングを形成している。スピンドル軸８４の先端には切削ブレード（加工具）８１を装着したブレードマウント８２が連結され、スピンドル軸８４の後端にはモータ８５が連結されている。モータ８５は、スピンドル軸８４の後端部分に設けられたロータ８６と、冷却ジャケット８８の内側に設けられたステータ８７とで構成されている。冷却ジャケット８８内にはモータ８５の発熱を抑える冷却水路８９が形成されている。

スピンドル軸８４の先端寄りには大径の円板部９１が形成されており、ケーシング８３には円板部９１に対応した環状溝９２が形成されている。この場合、ケーシング８３とスピンドル軸８４の間には高圧エアの通り路となる僅かな隙間が設けられている。ケーシング８３の内周面には多数の噴射口９３が形成されており、各噴射口９３はケーシング８３内に形成された流路９４を通じてエア供給源９５に接続されている。エア供給源９５から供給された高圧エアは、ケーシング８３内の流路９４のＬ字状の曲がり箇所や複数の流路９４の合流箇所を通って各噴射口９３から噴射される。

各噴射口９３はメッシュで構成されており、メッシュの網目の間隔がスピンドル軸８４とケーシング８３の隙間より小さく形成されている。このため、加工中に流路９４の曲がり箇所や複数の流路９４の合流箇所からバリＦが脱落しても、噴射口９３のメッシュによって排出されるバリＦの大きさが制限される。このように、比較例の切削装置のスピンドルユニット８０においても、スピンドル軸８４とケーシング８３の隙間よりも大きなゴミが噴射口９３から排出されることがないため、スピンドル軸８４の齧りを確実に防止することが可能になっている。

また、本実施の形態及び変形例では、研削装置の研削ホイール、切削装置の切削ブレードを回転させるスピンドルユニットについて説明したが、この構成に限定されない。本発明のスピンドルユニットは、エアベアリングを採用した構造に適用可能であり、例えばチャックテーブル及びターンテーブルを回転させる構造に適用可能である。

また、本実施の形態及び変形例では、噴射口がメッシュで構成されたが、この構成に限定されない。噴射口はスピンドル軸とケーシングとの隙間より小さな穴で構成されていればよく、スリット、細孔等で構成されてもよい。また、噴射口は、ラジアルエアベアリング、スラストエアベアリングを形成するスピンドル軸とケーシングの対向面の全体に形成されていてもよいし、スピンドル軸の回転軸回りの環状の領域に部分的に形成されてもよい。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施形態をカバーしている。

また、本実施の形態では、本発明を研削装置のスピンドルユニットに適用した構成について説明したが、ゴミによるスピンドル軸の齧りを防止することができる装置に適用することが可能である。

以上説明したように、本発明は、ゴミによるスピンドル軸の齧りを防止することができるという効果を有し、特に、研削加工及び切削加工で使用されるスピンドルユニットに有用である。

１研削装置
４２、８０スピンドルユニット
４３、８３ケーシング
４４、８４スピンドル軸
４６、８１研削ホイール（加工具）
７１、９３噴射口
７２、９４流路
７３、９６メッシュ

Claims

先端に加工具を装着するスピンドル軸と、ラジアルエアベアリングとスラストエアベアリングとを有し該スピンドル軸を回転可能に支持するケーシングと、該ケーシングから該ラジアルエアベアリングと該スラストエアベアリングとに高圧エアを噴射する噴射口とを備えるスピンドルユニットであって、
該噴射口は、該ラジアルエアベアリングと該スラストエアベアリングで支持される該スピンドル軸と該ケーシングとの隙間より小さい穴で構成されるスピンドルユニット。