JP6703433B2

JP6703433B2 - 加工装置

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Publication number: JP6703433B2
Application number: JP2016075770A
Authority: JP
Inventors: 研悟奥鳴; 弘行吉原; 翔平佐々木
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: JP2017185579A

Description

本発明は、ボールねじを回転させてスライダを移動させる直動機構を備えた加工装置に関する。

半導体ウェーハに代表される板状の被加工物を加工する際には、例えば、被加工物を保持するためのチャックテーブルや、被加工物を加工するための加工ユニットを備える加工装置が使用される。この加工装置では、ボールねじ式の直動機構によってチャックテーブルと加工ユニットとを相対的に移動させている（例えば、特許文献１参照）。

直動機構は、サーボモータによって回転するボールねじと、ボールねじに螺合するナットと、ナットが固定されたスライダとで構成されており、サーボモータでボールねじを回転させることによって、スライダを直線的に移動させることができる。なお、このスライダには、チャックテーブルや加工ユニット等が取り付けられている。

特開２０１２−１６１８６１号公報

ところで、ボールねじとナットとの間に加工屑等の異物が侵入すると、この異物によって摩耗が進行し、ボールねじとナットとの隙間や、ナット内の溝とボールとの隙間等が拡大し易くなる。サーボモータは、例えば、スライダ（ナット）の位置に基づいてフィードバック制御されるので、この隙間が拡大すると、オーバーシュートによってスライダが振動（発振）してしまう。

このように、スライダ（ナット）の位置を精度良く制御できない状況で被加工物を加工すると、加工の精度も大幅に低下する。本発明はかかる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、直動機構の劣化を適切に検出できる加工装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を加工する加工ユニットと、フィードバック制御されたサーボモータで回転するボールねじと該ボールねじに螺合するナットと該ナットが固定されたスライダとを含む直動機構と、該直動機構の劣化を検出する劣化検出ユニットと、を備え、該劣化検出ユニットは、該スライダを所定の速度で移動させる際に、該サーボモータが出力するトルクを測定するトルク測定部と、トルクの絶対値の下限値に相当する閾値を設定する閾値設定部と、該トルク測定部で測定したトルクが該閾値設定部で設定した閾値によって規定される範囲を外れた場合に、該ボールねじと該ナットのねじ溝との間の隙間が拡大していることを通知するための信号を発生する信号発生部と、を含み、該スライダには、該チャックテーブルが取り付けられており、該直動機構は、該スライダとともに該チャックテーブルを移動させ、該トルク測定部は、該スライダの移動範囲の該加工ユニットに対して対称な区間でトルクを測定することを特徴とする加工装置が提供される。

本発明の一態様に係る加工装置では、サーボモータが出力するトルクが閾値によって規定される範囲を外れた場合に、ボールねじとナットのねじ溝との間の隙間が拡大していることを通知するための信号を発生させるので、サーボモータのトルク変動を伴う直動機構の劣化を適切に検出できる。

切削装置の構成例を模式的に示す斜視図である。トルク測定部で測定されるトルクの時間変化の例を示すグラフである。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）は、それぞれ、トルク測定部で測定されるトルクの時間変化の例を示すグラフである。

添付図面を参照して、本発明の一態様に係る実施形態について説明する。なお、本実施形態では、板状の被加工物を切削する切削装置を例に挙げて説明するが、本発明の加工装置は、直動機構を備える研削装置やレーザー加工装置等でも良い。図１は、本実施形態に係る切削装置の構成例を模式的に示す斜視図である。

図１に示すように、切削装置（加工装置）２は、各構成要素を収容するための筐体４を備えている。筐体４の内部には、基台６が収容されている。基台６の上面には、Ｘ軸移動機構（直動機構）８が設けられている。Ｘ軸移動機構８は、Ｘ軸方向（加工送り方向、前後方向）に平行な一対のＸ軸ガイドレール１０を備えており、Ｘ軸ガイドレール１０には、Ｘ軸移動テーブル（スライダ）１２がスライド可能に取り付けられている。

Ｘ軸移動テーブル１２の下面（裏面）側には、ナット（不図示）が設けられており、このナットには、Ｘ軸ガイドレール１０に平行なＸ軸ボールねじ（ボールねじ）１４が螺合されている。Ｘ軸ボールねじ１４の一端部には、Ｘ軸パルスモータ（サーボモータ）１６が連結されている。Ｘ軸パルスモータ１６でＸ軸ボールねじ１４を回転させることで、Ｘ軸移動テーブル１２は、Ｘ軸ガイドレール１０に沿ってＸ軸方向に移動する。

Ｘ軸移動テーブル１２の上面側（表面側）には、テーブルベース１８が設けられている。テーブルベース１８の上部には、被加工物１１を保持するためのチャックテーブル２０が配置されている。チャックテーブル２０の周囲には、被加工物１１を支持する環状のフレーム１５を四方から固定する４個のクランプ２０ａが設置されている。

被加工物１１は、例えば、シリコン等の半導体でなる円形のウェーハであり、その上面（表面）側は、中央のデバイス領域と、デバイス領域を囲む外周余剰領域とに分けられている。デバイス領域は、格子状に配列された分割予定ライン（ストリート）でさらに複数の領域に区画されており、各領域には、ＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスが形成されている。

被加工物１１の下面（裏面）側には、被加工物１１より径の大きいテープ１３が貼り付けられている。テープ１３の外周部分は、環状のフレーム１５に固定されている。すなわち、被加工物１１は、テープ１３を介してフレーム１５に支持されている。なお、本実施形態では、シリコン等の半導体でなる円形のウェーハを被加工物１１としているが、被加工物１１の材質、形状等に制限はない。例えば、セラミックス、樹脂、金属等の材料でなる任意の形状の基板を被加工物１１として用いることもできる。

チャックテーブル２０は、モータ等の回転駆動源（不図示）に連結されており、Ｚ軸方向（鉛直方向、高さ方向）に概ね平行な回転軸の周りに回転する。また、上述したＸ軸移動機構８でＸ軸移動テーブル１２をＸ軸方向に移動させれば、チャックテーブル２０はＸ軸方向に加工送りされる。

チャックテーブル２０の上面は、被加工物１１を保持する保持面２０ｂとなっている。この保持面２０ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して概ね平行に形成されており、チャックテーブル２０やテーブルベース１８の内部に形成された流路（不図示）等を通じて吸引源（不図示）に接続されている。なお、この吸引源の負圧は、テーブルベース１８に対してチャックテーブル２０を固定する際にも利用される。

チャックテーブル２０に近接する位置には、被加工物１１をチャックテーブル２０へと搬送する搬送機構（不図示）が設けられている。また、Ｘ軸移動テーブル１２の近傍には、切削時（加工時）に使用された純水等の切削液（加工液）の廃液を一時的に貯留するウォーターケース２２が設けられている。ウォーターケース２２内に貯留された廃液は、ドレーン（不図示）等を通じて切削装置２の外部に排出される。

基台６の上面には、Ｘ軸移動機構８を跨ぐ門型の支持構造２４が配置されている。支持構造２４の前面上部には、２組の切削ユニット移動機構（直動機構）２６が設けられている。各切削ユニット移動機構２６は、支持構造２４の前面に配置されＹ軸方向（割り出し送り方向、左右方向）に概ね平行な一対のＹ軸ガイドレール２８を共通に備えている。Ｙ軸ガイドレール２８には、各切削ユニット移動機構２６を構成するＹ軸移動プレート（スライダ）３０がスライド可能に取り付けられている。

各Ｙ軸移動プレート３０の裏面側には、ナット（不図示）が設けられており、このナット部には、Ｙ軸ガイドレール２８に平行なＹ軸ボールねじ（ボールねじ）３２がそれぞれ螺合されている。各Ｙ軸ボールねじ３２の一端部には、Ｙ軸パルスモータ（サーボモータ）３４が連結されている。Ｙ軸パルスモータ３４でＹ軸ボールねじ３２を回転させれば、Ｙ軸移動プレート３０は、Ｙ軸ガイドレール２８に沿ってＹ軸方向に移動する。

各Ｙ軸移動プレート３０の前面（表面）には、Ｚ軸方向に概ね平行な一対のＺ軸ガイドレール３６が設けられている。Ｚ軸ガイドレール３６には、Ｚ軸移動プレート（スライダ）３８がスライド可能に取り付けられている。

各Ｚ軸移動プレート３８の裏面側には、ナット（不図示）が設けられており、このナットには、Ｚ軸ガイドレール３６に平行なＺ軸ボールねじ（ボールねじ）４０がそれぞれ螺合されている。各Ｚ軸ボールねじ４０の一端部には、Ｚ軸パルスモータ（サーボモータ）４２が連結されている。Ｚ軸パルスモータ４２でＺ軸ボールねじ４０を回転させれば、Ｚ軸移動プレート３８は、Ｚ軸ガイドレール３６に沿ってＺ軸方向に移動する。

各Ｚ軸移動プレート３８の下部には、被加工物１１を切削（加工）するための切削ユニット（加工ユニット）４４が設けられている。また、切削ユニット４４に隣接する位置には、被加工物１１を撮像するためのカメラ（撮像ユニット）４６が設置されている。各切削ユニット移動機構２６で、Ｙ軸移動プレート３０をＹ軸方向に移動させれば、切削ユニット４４及びカメラ４６は割り出し送りされ、Ｚ軸移動プレート３８をＺ軸方向に移動させれば、切削ユニット４４及びカメラ４６は昇降する。

切削ユニット４４は、Ｙ軸方向に概ね平行な回転軸を構成するスピンドル（不図示）の一端側に装着された円環状の切削ブレード４８を備えている。スピンドルの他端側にはモータ等の回転駆動源（不図示）が連結されており、切削ブレード４８は、スピンドルを介して伝達される回転駆動源の回転力によって回転する。

Ｘ軸移動機構８、チャックテーブル２０、搬送機構、切削ユニット移動機構２６、切削ユニット４４、カメラ４６等の構成要素は、それぞれ、制御ユニット５０に接続されている。この制御ユニット５０は、ウェーハ１１の加工条件等に合わせて、上述した各構成要素を制御する。

また、この制御ユニット５０には、Ｘ軸移動機構８や切削ユニット移動機構２６の劣化を検出するための劣化検出ユニット５２が接続されている。劣化検出ユニット５２は、トルク測定部５２ａ、閾値設定部５２ｂ、信号発生部５２ｃ等を含む。

トルク測定部５２ａは、Ｘ軸移動テーブル１２、Ｙ軸移動プレート３０、又はＺ軸移動プレート３８を移動させる際に、Ｘ軸パルスモータ１６、Ｙ軸パルスモータ３４、又はＺ軸パルスモータ４２が出力するトルクを測定する。なお、トルク測定部５２ａのサンプリング周期（測定の間隔）は、任意に設定できる。

閾値設定部５２ｂは、Ｘ軸ボールねじ１４、Ｙ軸ボールねじ３２、Ｚ軸ボールねじ４０、又はこれらに螺合するナットの劣化を検出するための閾値を設定する。この閾値としては、例えば、Ｘ軸パルスモータ１６、Ｙ軸パルスモータ３４、又はＺ軸パルスモータ４２が出力するトルクの絶対値の下限値に相当する値が使用される。

信号発生部５２ｃは、トルク測定部５２ａで測定したトルクが閾値設定部５２ｂで設定した閾値によって規定される範囲を外れた場合に、Ｘ軸ボールねじ１４、Ｙ軸ボールねじ３２、Ｚ軸ボールねじ４０、又はこれらに螺合するナットが劣化していることを通知するための信号を発生する。

例えば、プラス（正方向）のトルクを測定する場合には、信号発生部５２ｃは、トルク測定部５２ａで測定したトルクが閾値設定部５２ｂで設定した閾値を下回った場合に、Ｘ軸ボールねじ１４、Ｙ軸ボールねじ３２、又はＺ軸ボールねじ４０と、これらに螺合するナットのねじ溝との間の隙間が拡大していることを通知するための信号を発生する。

一方、マイナス（負方向）のトルクを測定する場合には、信号発生部５２ｃは、トルク測定部５２ａで測定したトルクが閾値設定部５２ｂで設定した閾値を上回った場合に、Ｘ軸ボールねじ１４、Ｙ軸ボールねじ３２、又はＺ軸ボールねじ４０と、これらに螺合するナットのねじ溝との間の隙間が拡大していることを通知するための信号を発生する。信号発生部５２ｃで発生した信号は、例えば、制御ユニット５０へと送られる。

信号発生部５２ｃからの信号を受け取った制御ユニット５０は、この信号によって通知される情報を、例えば、筐体４の前面に設置されている表示パネル５４に表示させる。なお、制御ユニット５０は、信号発生部５２ｃからの信号を受け取った場合に、Ｘ軸移動機構８や切削ユニット移動機構２６等の動作を停止させても良い。

次に、上述した切削装置２でＸ軸移動機構８の劣化を検出する手順について説明する。なお、切削ユニット移動機構２６の劣化も同様の手順で検出できる。Ｘ軸移動機構８の劣化を検出する際には、まず、Ｘ軸パルスモータ１６でＸ軸ボールねじ１４を回転させて、Ｘ軸移動テーブル１２を移動させる。

Ｘ軸移動テーブル１２の移動速度は、例えば、被加工物１１を加工する際の移動速度（代表的には、２００ｍｍ／ｓ）に合わせると良い。ただし、この移動の速度は、任意に設定、変更できる。同時に、Ｘ軸パルスモータ１６が出力するトルクを、トルク測定部５２ａによって測定する。

図２は、トルク測定部５２ａで測定されるトルクの時間変化の例を示すグラフである。なお、図２では、時刻ｔ_１においてＸ軸移動テーブル１２の移動が開始し、時刻ｔ_４においてＸ軸移動テーブル１２の移動が終了している。また、図２の縦軸は、トルク比（トルク測定部５２ａで測定したトルクを、Ｘ軸パルスモータ１６の定格トルクで割った値）を表している。さらに、図２では、プラスのトルクが測定されている。

例えば、Ｘ軸ボールねじ１４と、Ｘ軸ボールねじ１４に螺合するナットとの間に加工屑等の異物が侵入すると、この異物によって摩耗が進行し、Ｘ軸ボールねじ１４と、Ｘ軸ボールねじ１４に螺合するナットのねじ溝との間の隙間が拡大してしまう。この場合、Ｘ軸ボールねじ１４を回転させる際のＸ軸ボールねじ１４とナットとの摩擦が小さくなるので、Ｘ軸パルスモータ１６の負荷も減少する。

本実施形態に係る劣化検出ユニット５２では、この現象を利用して、トルク測定部５２ａによって測定したトルク（トルク比）が所定の閾値で規定される範囲を外れた場合に、Ｘ軸ボールねじ１４と、Ｘ軸ボールねじ１４に螺合するナットのねじ溝との間の隙間が拡大していることを通知するための信号を信号発生部５２ｃから発生させる。

劣化を検出する際の閾値として用いられるトルク（トルク比）の値は、閾値設定部５２ｂによって設定される。閾値設定部５２ｂは、例えば、プラス（正方向）のトルクを測定対象とする場合、検出対象期間のトルク（トルク比）の平均値（算術平均値）ａから、当該期間のトルク（トルク比）の標準偏差σを引いた値ａ−σを閾値に設定する。

一方、閾値設定部５２ｂは、例えば、マイナス（負方向）のトルクを測定対象とする場合、検出対象期間のトルク（トルク比）の平均値（算術平均値）ａに、当該期間のトルク（トルク比）の標準偏差σを加えた値ａ＋σを閾値に設定する。これによって、Ｘ軸移動機構８の僅かな劣化を適切に検出できる。ただし、その他の値を閾値に設定しても良い。

図２に示すように、Ｘ軸移動テーブル１２の移動の開始時には加速が必要なので、トルク（トルク比）の絶対値は大きくなる傾向にある。一方、Ｘ軸移動テーブル１２の移動の終了時には、トルク（トルク比）の絶対値は小さくなる傾向にある。よって、Ｘ軸移動テーブル１２の速度が安定する期間を検出対象期間に設定することが望ましい。

例えば、Ｘ軸移動テーブル１２の全移動距離が２００ｍｍ程度の場合、その中央の１００ｍｍ程度の距離に対応する期間を検出対象期間に設定することができる。また、加工の精度を高める観点からは、切削ユニット４４に関して対称な区間（例えば、切削ユニット４４を中心に±５０ｍｍ程度の区間）に対応する期間を検出対象期間に設定すると良い。

図２では、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までが検出対象期間に設定されており、この検出対象期間において、測定したトルク（トルク比）が部分的に閾値ａ−σを下回っている。つまり、測定したトルク（トルク比）の一部は、閾値によって規定される範囲を外れている。よって、この場合、信号発生部５２ｃは、Ｘ軸ボールねじ１４、又はＸ軸ボールねじ１４に螺合するナットが劣化していることを通知するための信号を発生する。

信号発生部５２ｃからの信号を受け取った制御ユニット５０は、例えば、筐体４の前面に設置されている表示パネル５４に、Ｘ軸ボールねじ１４と、Ｘ軸ボールねじ１４に螺合するナットのねじ溝との間の隙間が拡大している旨の情報を表示させる。切削装置２を操作するオペレータは、この表示を確認することによって適切な対策を採ることができる。

オペレータの採り得る対策としては、例えば、Ｘ軸ボールねじ１４、及びＸ軸ボールねじ１４に螺合するナットの清掃、交換、Ｘ軸パルスモータ１６のゲイン調整等がある。これらの対策を採ることで、オーバーシュートによるＸ軸移動テーブル１２の振動（発振）を防いで、切削（加工）の精度を高く維持できる。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）は、それぞれ、トルク測定部５２ａで測定されるトルク（トルク比）の時間変化の例を示すグラフである。なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）では、図２の場合とは逆向きにＸ軸移動テーブル１２を移動させる際のトルク比の時間変化を示している。すなわち、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）では、マイナスのトルクが測定される。

図３（Ａ）では、Ｘ軸移動テーブル１２が振動（発振）しておらず、トルク比の絶対値も３０％程度と高い。一方で、図３（Ｂ）では、Ｘ軸移動テーブル１２の振動の振幅は小さいものの、トルク比の絶対値が図３（Ａ）の場合に比べて小さくなっている。つまり、この場合には、Ｘ軸ボールねじ１４と、Ｘ軸ボールねじ１４に螺合するナットのねじ溝との間の隙間が拡大していると考えられる。

図３（Ｃ）では、Ｘ軸移動テーブル１２の移動開始後の所定の期間で振動の振幅が大きくなっている。また、図３（Ｄ）では、Ｘ軸移動テーブル１２の移動開始から移動終了までの全期間で振動の振幅が大きくなっている。本実施形態によれば、このようなトルク（トルク比）の時間変化に基づいてＸ軸移動機構８の劣化を適切に検出できる。

以上のように、本実施形態に係る加工装置では、Ｘ軸パルスモータ（サーボモータ）１６、Ｙ軸パルスモータ（サーボモータ）３４、又はＺ軸パルスモータ（サーボモータ）４２が出力するトルクが閾値によって規定される範囲を外れた場合に、Ｘ軸ボールねじ（ボールねじ）１４、Ｙ軸ボールねじ（ボールねじ）３２、又はＺ軸ボールねじ（ボールねじ）４０と、これらに螺合するナットのねじ溝との間の隙間が拡大していることを通知するための信号を発生させるので、Ｘ軸パルスモータ１６、Ｙ軸パルスモータ３４、又はＺ軸パルスモータ４２のトルク変動を伴うＸ軸移動機構（直動機構）８又は切削ユニット移動機構（直動機構）２６の劣化を適切に検出できる。

なお、本発明は上記実施形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施形態では、検出対象期間のトルク（トルク比）の平均値（算術平均値）ａから、当該期間のトルク（トルク比）の標準偏差σを引いた値ａ−σ等を閾値に設定することでＸ軸移動機構８の劣化を検出しているが、その他の値を閾値に設定することもできる。

例えば、検出対象期間においてトルク（トルク比）の閾値を任意に設定し、トルク（トルク比）がこの閾値を下回った場合、又は上回った場合に、Ｘ軸移動機構８の劣化を検出するようにしても良い。同様に、検出対象期間のトルク（トルク比）の平均値（算術平均値）に対して任意の閾値を設定し、Ｘ軸移動機構８の劣化を検出するようにしても良い。

その他、上記実施形態に係る構造、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

２切削装置（加工装置）
４筐体
６基台
８Ｘ軸移動機構（直動機構）
１０Ｘ軸ガイドレール
１２Ｘ軸移動テーブル（スライダ）
１４Ｘ軸ボールねじ（ボールねじ）
１６Ｘ軸パルスモータ（サーボモータ）
１８テーブルベース
２０チャックテーブル
２０ａクランプ
２０ｂ保持面
２２ウォーターケース
２４支持構造
２６切削ユニット移動機構（直動機構）
２８Ｙ軸ガイドレール
３０Ｙ軸移動プレート（スライダ）
３２Ｙ軸ボールねじ（ボールねじ）
３４Ｙ軸パルスモータ（サーボモータ）
３６Ｚ軸ガイドレール
３８Ｚ軸移動プレート（スライダ）
４０Ｚ軸ボールねじ（ボールねじ）
４２Ｚ軸パルスモータ（サーボモータ）
４４切削ユニット（加工ユニット）
４６カメラ（撮像ユニット）
４８切削ブレード
５０制御ユニット
５２劣化検出ユニット
５２ａトルク測定部
５２ｂ閾値設定部
５２ｃ信号発生部
５４表示パネル
１１被加工物
１３テープ
１５フレーム

Claims

被加工物を保持するチャックテーブルと、
該チャックテーブルに保持された被加工物を加工する加工ユニットと、
フィードバック制御されたサーボモータで回転するボールねじと該ボールねじに螺合するナットと該ナットが固定されたスライダとを含む直動機構と、
該直動機構の劣化を検出する劣化検出ユニットと、を備え、
該劣化検出ユニットは、
該スライダを所定の速度で移動させる際に、該サーボモータが出力するトルクを測定するトルク測定部と、
トルクの絶対値の下限値に相当する閾値を設定する閾値設定部と、
該トルク測定部で測定したトルクが該閾値設定部で設定した閾値によって規定される範囲を外れた場合に、該ボールねじと該ナットのねじ溝との間の隙間が拡大していることを通知するための信号を発生する信号発生部と、を含み、
該スライダには、該チャックテーブルが取り付けられており、
該直動機構は、該スライダとともに該チャックテーブルを移動させ、
該トルク測定部は、該スライダの移動範囲の該加工ユニットに対して対称な区間でトルクを測定することを特徴とする加工装置。