JP6814579B2 - 研削ホイール及び研削装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウエーハを研削する研削ホイール及び研削装置に関する。

従来、研削装置として研削砥石を振動させながら、ウエーハを研削するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の研削装置は、研削砥石に超音波振動を伝達することで、研削が困難なウエーハに対する研削砥石の砥粒の食い付きを良くしている。また、超音波振動によって研削負荷が少なくなることで、研削砥石の目潰れ等が防止されて研削砥石の寿命を長くしている。通常、この種の研削装置では、研削開始時に研削送りを速くし、ウエーハの厚みが目標の仕上げ厚みに近づくと研削送りを遅くして、ウエーハにダメージを残さないように研削している。

特開２０１５−０１３３２１号公報

しかしながら、研削開始直後は研削送りが速いため、ウエーハに対する研削砥石の当たりが強く研削負荷が大きくなる。研削砥石の振動がウエーハに抑えられてしまうため、研削砥石に超音波振動を伝えているにも関わらず、目詰まりや目潰れが生じて良好な研削ができなかった。一方で、研削終了直前は研削送りが遅くなるため、ウエーハに対する研削砥石の当たりが弱く研削負荷が小さくなるが、研削砥石の振動によってウエーハが余計に削られてしまっていた。このように、研削状況に応じてウエーハを適切に研削することができない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、研削砥石に対して適切に超音波振動を伝達することでウエーハを良好に研削することができる研削ホイール及び研削装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様の研削ホイールは、環状に配設した研削砥石に超音波振動を伝達させて保持テーブルに保持されたウエーハを研削する研削ホイールであって、研削装置のマウントに装着する環状の被装着面を有する第１の円環板と、該第１の円環板の外周から垂下する筒体と、該筒体の下端と連結させ中央に開口を有する第２の円環板と、該第２の円環板の下面に環状に配設する該研削砥石と、該第２の円環板の上面に該開口を囲繞する環状の超音波発振部と、該超音波発振部から該研削砥石に伝達された超音波振動を受振する超音波受振部と、を備えている。

この構成によれば、超音波発振部から第２の円環板に介して研削砥石に超音波振動が伝達され、研削砥石の研削面を振動させながら保持テーブル上のウエーハが研削される。このとき、超音波発振部から第２の円環板に超音波振動が伝達されると、第２の円環板に配設された研削砥石の研削状況に応じて超音波受振部で受振される超音波振動の振幅量が変化する。すなわち、ウエーハに対する研削砥石の当たりが強いと振幅量が小さくなり、ウエーハに対する研削砥石の当たりが弱いと振幅量が大きくなる。よって、超音波受振部によって研削砥石に伝達された超音波振動を受振することで、超音波発振部の超音波振動の振幅量を適切に調節することができる。

本発明の一態様の研削装置は、保持面でウエーハを保持する保持テーブルと、上記の研削ホイールを回転可能に装着するマウントを有し該保持テーブルが保持したウエーハを研削する研削手段と、該研削ホイールの該超音波発振部に高周波電力を供給する高周波電源と、該保持面に対して垂直方向に該研削手段を研削送りする研削送り手段と、を備える研削装置であって、該超音波発振部が発振した超音波振動が該研削砥石に伝えた振幅量を該超音波受振部が受振して、該受振した該振幅量によって該高周波電源から供給する出力を制御する制御部を備えている。

本発明によれば、研削中の研削砥石の振動状態に応じて超音波振動の振幅量を調整することで、ウエーハを良好に研削することができる。

本実施の形態の研削装置の斜視図である。 本実施の形態の研削手段の斜視図である。 本実施の形態の研削手段の断面模式図である。 本実施の形態の研削装置による研削動作の一例を示す図である。 変形例の研削手段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。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５２を環状に並べた研削ホイール５０を用いて、保持テーブル２０に保持されたウエーハＷを超音波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軸方向に延在する長方形状の開口が形成されており、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の保持面２１に対して垂直方向（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５０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５２が環状に配設された研削ホイール５０が装着されている。研削砥石５２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。

研削手段４０の高さ位置は、リニアスケール７０によって測定されている。リニアスケール７０は、Ｚ軸テーブル３２に設けた読取部７１でガイドレール３１の表面に設けたスケール部７２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。また、研削装置１には、装置各部を統括制御する制御部６６が設けられている。制御部６６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。

また、研削手段４０には研削ホイール５０に超音波振動を発生させる超音波発振部５８（図２参照）が設けられており、超音波発振部５８には高周波電源６５から高周波電力が供給されている。このように構成された研削装置１では、研削ホイール５０で発生した超音波振動を研削砥石５２に伝達させ、研削砥石５２の研削面を振動させながらウエーハＷに押し付けて研削することでウエーハＷが目標の仕上げ厚みまで薄化される。このとき、研削開始直後に研削送り速度が速くなり、仕上げ厚み直前に研削送り速度が遅くなるように制御して、研削後のウエーハＷにダメージが残らないようにしている。

ところで、一般的な研削装置によるウエーハＷの研削加工では、研削開始直後の研削送りが速いため、超音波振動が伝達された研削砥石がウエーハＷに対して強く押し付けられている。ウエーハＷに対する研削砥石の当たりが強くなると、研削砥石の振動がウエーハＷに抑え込まれるため、研削砥石の研削面に目潰れ等が生じて超音波研削の効果を十分に得ることができない。このため、研削手段による研削送りが速い研削開始直後には、研削砥石の振動の振幅量が大きくなるように、高周波電圧の出力を高く調節することが好ましい。

一方で、研削終了直前は研削送りが遅いため、ウエーハＷに対する研削砥石の当たりが弱くなっている。研削開始直後と同じ振幅量で研削砥石が振動すると、研削砥石によってウエーハＷが削られ過ぎてダメージが残ってしまう。このため、研削送り速度が遅い研削終了直前には、研削砥石の振幅量が小さくなるように、高周波電圧の出力を低く調整することが好ましい。この場合、実験によって研削送り速度に応じた高周波電圧の適切な出力条件を探し出すことが可能であるが、何度も実験を繰り返さなければならず、煩わしいものになっていた。

そこで、本実施の形態の研削装置１では、ウエーハＷの研削中に研削砥石５２の振動の振幅量を検出して、研削砥石５２の振動の振幅量が目標の振幅量に近づくように、高周波電源６５の出力を調整している。これにより、研削手段４０の研削送り速度によってウエーハＷに対する研削砥石５２の当たり具合が変わっても、研削送り速度に応じて高周波電源６５の出力が調節されて、適切な振幅量で研削砥石５２を振動させ続けることができる。よって、研削開始から研削終了まで研削砥石５２によってウエーハＷを良好に超音波研削することが可能になっている。

以下、図２及び図３を参照して、本実施の形態の研削ホイールについて説明する。図２は、本実施の形態の研削手段の斜視図である。図３は、本実施の形態の研削手段の断面模式図である。なお、図２及び図３においては、説明の便宜上、スピンドルからケーシングを省略して記載している。

図２及び図３に示すように、研削ホイール５０は、ホイール基台５１の下面に複数の研削砥石５２を環状に配設して、ホイール基台５１に設けた超音波発振部５８から研削砥石５２に超音波振動を伝達するように構成されている。ホイール基台５１の上壁は第１の円環板５３で環状に形成されており、第１の円環板５３の上面が研削装置１（図１参照）のマウント４５に装着される被装着面５４になっている。第１の円環板５３の被装着面５４には複数のネジ穴６１が空けられており、マウント４５の挿通穴４６に差し込まれたボルト４７の先端がネジ穴６１に螺合されることでマウント４５に研削ホイール５０が固定される。

ホイール基台５１の側壁は第１の円環板５３の外周から垂下した筒体５５で円筒状に形成されており、ホイール基台５１の底壁は筒体５５の下端に連結した第２の円環板５６で環状に形成されている。第２の円環板５６の下面には複数の研削砥石５２が環状に配設され、第２の円環板５６の上面には中央の開口５７を囲繞するように環状の超音波発振部５８が設けられている。また、第２の円環板５６の上面には、超音波発振部５８の径方向外側において、超音波発振部５８から研削砥石５２に伝達された超音波振動を、第２の円環板５６上で受振する円形状の超音波受振部５９が設けられている。

スピンドル軸４４の軸心には貫通孔４８が形成されており、貫通孔４８内には高周波電源６５及び制御部６６の配線が配設されている。貫通孔４８の下端側には高周波電源６５及び制御部６６のコネクタ６７、６８がそれぞれ配設されており、高周波電源６５のコネクタ６７には超音波発振部５８のコネクタ６２に接続され、制御部６６のコネクタ６８には超音波受振部５９のコネクタ６３が接続されている。これにより、高周波電源６５から超音波発振部５８に高周波電力が供給されると共に、超音波受振部５９で受振した超音波振動の振幅量に相当する電気信号が制御部６６に出力される。

超音波発振部５８は、圧電素子等の超音波振動子で構成されており、高周波電源６５からの高周波電圧に応じて径方向に伸縮して振動している。この超音波発振部５８の径方向の伸縮が繰り返されることで、超音波発振部５８から第２の円環板５６を介して研削砥石５２に超音波振動が伝達される。超音波受振部５９は、超音波発振部５８と同様な圧電素子等の超音波振動子で構成されており、第２の円環板５６の超音波振動を電気信号（電圧）に変換して制御部６６に出力する。制御部６６は、超音波受振部５９で受振した超音波振動の振幅量に基づいて、高周波電源６５の出力を制御している。

この場合、研削砥石５２の振動の振幅量が小さくなる研削開始直後には高周波電源６５の出力が高く制御され、研削砥石５２の振動の振幅量が大きくなる研削終了直前には高周波電源６５の出力が低く制御される。これにより、ウエーハＷに対する研削砥石５２の当たり具合に関わらず、研削砥石５２の振動の振幅量を適切な大きさに維持し続けながら、研削開始から研削終了までウエーハＷを良好に研削することができる。なお、ウエーハＷの研削によっても振動が発生するが、研削砥石５２に伝達される超音波振動とは明らかに周波数が異なるため制御部６６において分離することが可能になっている。

図４を参照して、研削動作について説明する。図４は、本実施の形態の研削装置による研削動作の一例を示す図である。なお、図４Ａは研削開始直後の一例を示し、図４Ｂは研削終了直前の一例を示している。

図４Ａに示すように、保持テーブル２０にウエーハＷが載置され、保持テーブル２０の保持面２１の吸引力によってウエーハＷが保持される。また、保持テーブル２０が研削手段４０の下方に位置付けられ、保持テーブル２０が回転されると共に研削手段４０の研削ホイール５０が高速回転される。また、高周波電源６５から超音波発振部５８に高周波電圧が供給されて、超音波発振部５８の超音波振動が第２の円環板５６を介して研削砥石５２に伝達される。そして、研削ホイール５０の研削砥石５２がウエーハＷに突き当てられ、所定の研削送り速度で研削送りされる。

研削開始直後は研削手段４０の研削送りが速いため、ウエーハＷに対して研削砥石５２が強く押し付けられている。このとき、超音波発振部５８から研削砥石５２に伝達される超音波振動が、第２の円環板５６上の超音波受振部５９に受振されて制御部６６にリアルタイムで出力される。制御部６６では、超音波受振部５９で受振される超音波振動の振幅量が目標の振幅量に近づくように高周波電源６５の出力が上げられる。よって、ウエーハＷに対する研削砥石５２の当たりが強い研削開始直後であっても、研削砥石５２の振幅量が目標の振幅量に近づけられることで、ウエーハＷを良好に研削することが可能になっている。

図４Ｂに示すように、研削によってウエーハＷが仕上げ厚みｔに近づけられると、研削手段４０の研削送りが遅くなってウエーハＷに対する研削砥石５２の当たりが徐々に弱くなる。このため、超音波受振部５９で受振される超音波振動の振幅量が大きくならないように、制御部６６によって研削砥石５２の振幅量が目標の振幅量に近づくように高周波電源６５の出力が下げられる。よって、ウエーハＷに対する研削砥石５２が弱い研削終了直前であっても、研削砥石５２の振幅量が目標の振幅量に近づけられることで、ウエーハＷを良好に研削することが可能になっている。

超音波受振部５９で受振された研削砥石５２の振動が常に制御部６６にフィードバックされて、超音波発振部５８に対する高周波電源６５の出力が調節されるため、研削送り速度に関わらず良好にウエーハＷを研削することが可能になっている。なお、本実施の形態では、超音波振動の振幅量を目標の振幅量に近づけるように制御する構成にしたが、目標の振幅量は研削送りの速度に応じて可変されてもよい。すなわち、研削送りが速い研削開始直後と研削送りが遅い研削終了直前の目標の振幅量が異なっていてもよい。これにより、より良好にウエーハＷを研削することが可能である。

以上のように、本実施の形態の研削装置１によれば、超音波発振部５８から第２の円環板５６に介して研削砥石５２に超音波振動が伝達され、研削砥石５２の研削面を振動させながら保持テーブル２０上のウエーハＷが研削される。このとき、超音波発振部５８から第２の円環板５６に超音波振動が伝達されると、第２の円環板５６に配設された研削砥石５２の研削状況に応じて超音波受振部５９で受振される超音波振動の振幅量が変化する。すなわち、ウエーハＷに対する研削砥石５２の当たりが強いと振幅量が小さくなり、ウエーハＷに対する研削砥石５２の当たりが弱いと振幅量が大きくなる。よって、超音波受振部５９によって研削砥石５２に伝達された超音波振動を受振することで、超音波発振部５８の超音波振動の振幅量を適切に調節してウエーハＷを良好に研削することができる。

なお、本実施の形態では、第２の円環板５６上で環状の超音波発振部５８の径方向外側に超音波受振部５９が配設される構成にしたが、この構成に限定されない。超音波受振部は、超音波発振部から研削砥石に伝達される超音波振動を受振可能な位置に配設されていればよく、例えば、図５に示す変形例の研削ホイール８０ように、第２の円環板８１上で環状の超音波発振部８２の径方向内側に超音波受振部８３が配設されてもよい。この場合、第２の円環板８１の中央に開口８４が形成されて、第２の円環板８１の内周縁が自由端になっているため、超音波発振部８２の外側よりも内側の方が振動し易くなっている。よって、超音波受振部８３を超音波発振部８２の径方向内側に配設することで、超音波受振部８３の受振感度を高めることが可能になっている。

本実施の形態では、超音波発振部５８が環状に形成された圧電素子で構成されたが、この構成に限定されない。超音波発振部は環状と見なせる程度に隙間を空けて環状に並んだ複数の圧電素子で構成されてもよい。また、超音波発振部５８は、超音波振動を発振可能であれば、圧電素子に限られない。

本実施の形態では、超音波発振部５８が径方向に伸縮するように超音波振動する構成にしたが、この構成に限定されない。超音波発振部５８は厚み方向に収縮するように超音波振動する構成にしてもよい。

本実施の形態では、超音波受振部５９が円形状に形成された圧電素子で構成されたが、この構成に限定されない。超音波受振部は超音波振動を受振可能な形状であれば、特に外形は限定されない。また、超音波受振部は、超音波振動を受振可能であれば、圧電素子に限られない。

本実施の形態では、研削送り手段３０としてボールネジ式の移動機構を例示して説明したが、この構成に限定されない。研削送り手段は、保持テーブルの保持面に対して垂直方向に研削手段を研削送り可能であればよく、例えば、リニアモータ式の移動機構やラックアンドピニオン式の移動機構で構成されてもよい。

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及び変形例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、本発明を研削装置に適用した構成について説明したが、超音波振動を利用してウエーハを加工する他の加工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、研削砥石に対して適切に超音波振動を伝達することでウエーハを良好に研削することができるという効果を有し、特に、サファイアやシリコンカーバイド等の硬質ウエーハの研削に使用される研削ホイール及び研削装置に有用である。

１ 研削装置
２０ 保持テーブル
２１ 保持面
３０ 研削送り手段
４０ 研削手段
４５ マウント
５０ 研削ホイール
５１ ホイール基台
５２ 研削砥石
５３ 第１の円環板
５４ 被装着面
５５ 筒体
５６ 第２の円環板
５７ 第２の円環板の開口
５８ 超音波発振部
５９ 超音波受振部
６５ 高周波電源
６６ 制御部
Ｗ ウエーハ

Claims (3)

1. 環状に配設した研削砥石に超音波振動を伝達させて保持テーブルに保持されたウエーハを研削する研削ホイールであって、
   研削装置のマウントに装着する環状の被装着面を有する第１の円環板と、
   該第１の円環板の外周から垂下する筒体と、
   該筒体の下端に外周端を連結させ中央に開口を有する第２の円環板と、
   該第２の円環板の下面に環状に配設する該研削砥石と、
   該第２の円環板の上面に該開口を囲繞する環状の超音波発振部と、
   該第２の円環板に設けられ、該超音波発振部から該第２の円環板を介して該研削砥石に伝達された超音波振動を受振する超音波受振部と、を備え、
   該超音波受振部は、研削中に該超音波発振部から該研削砥石に伝達された該超音波振動を、該第２の円環板を介して受振し、該超音波振動の振幅量を電気信号に変換して、該超音波発振部に対する高周波電力を制御する制御部に出力する、研削ホイール。
2. 該超音波受振部は、該超音波発振部の径方向外側で且つ該研削砥石の径方向内側に設けられている、請求項１記載の研削ホイール。
3. 保持面でウエーハを保持する保持テーブルと、
   請求項１又は請求項２に記載の研削ホイールを回転可能に装着するマウントを有し該保持テーブルが保持したウエーハを研削する研削手段と、
   該研削ホイールの該超音波発振部に高周波電力を供給する高周波電源と、
   該保持面に対して垂直方向に該研削手段を研削送りする研削送り手段と、
   研削中に該超音波受振部が受振した該超音波振動の振幅量に基づいて該高周波電源の出力を制御する該制御部と、を備える研削装置。

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