JP6878605B2 - 加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転する加工工具と、被加工物を保持する回転ステージを有する加工装置に関する。特に、半導体ウエハ等の被加工物を保持する回転ステージと、被加工物を研削するための回転工具とを備え、回転軸の姿勢調整が可能な加工装置に関する。

近年、回転軸の姿勢を調整可能な回転装置が求められている。例えば、半導体デバイスの原料となるシリコンウエハを薄板化加工するための平面研削盤の分野では、シリコンウエハの平坦度を向上させるために、回転する研削工具あるいはウエハ載置台の姿勢を適時に調整することが必要となっている。

例えば、特許文献１には、ベルトを介してモーターの回転力が伝達されて回転する研削工具と、研削工具を軸支するエアスピンドルと、研削工具の姿勢を制御する磁気軸受を備えた研削盤が開示されている。この装置では、変位センサを用いて被研削物と研削工具の傾斜状態を算出し、算出した傾斜状態に基づいて磁気軸受の電磁コイルの励磁を制御して、被研削物と研削工具の相対姿勢を調整している。

特開２００５−２２０５９号公報

上記の研削盤をはじめとする加工装置の回転機構においては、回転軸の姿勢を調整した際であっても、回転軸に回転力が安定して伝達され、しかも回転軸の軸支機構に過度の負荷がかからないことが求められる。

しかしながら、特許文献１に記載された研削盤においては、磁気軸受の電磁コイルの励磁を制御して回転軸を傾斜させると、モーターの回転力を伝達するベルトの張力が変化してしまう。このため、研削工具の姿勢を調整する度にベルトの張力が変化してしまい、回転軸に回転力を安定して伝達することができず、研削工具の回転が不安定になってしまう。また、ベルトの周期的な伸縮運動が回転軸に作用することで、回転軸に不要な振動を誘起してしまう恐れもある。

また、磁気軸受が回転軸を傾斜させようとして強く作用すると、エアスピンドルの軸支機構に過度の負荷がかかり、空気圧で支持する部分の隙間が不均一になったり、場合によっては部材どうしの干渉が生じて軸支機構の寿命が短くなる恐れもある。

本発明の第１の態様によれば、加工工具を保持する回転可能なチャックと、被加工物を保持するチャックプレートと、前記チャックプレートが取り付けられ、磁気カップリングの従動側磁石を備えたローターと、前記ローターを回動可能に軸支する静圧気体軸受と、前記静圧気体軸受の姿勢を調整する傾斜調整手段と、回転ステージ筐体に固定されたモーターと、前記回転ステージ筐体に固定され、前記モーターの回転駆動力を前記磁気カップリングの原動側磁石に伝達する伝達手段と、を有する加工装置である。

また、本発明の第２の態様によれば、被加工物を保持する回転可能なチャックプレートと、加工工具を保持するチャックと、前記チャックが取り付けられ、磁気カップリングの従動側磁石を備えたローターと、前記ローターを回動可能に軸支する静圧気体軸受と、前記静圧気体軸受の姿勢を調整する傾斜調整手段と、加工工具筐体に固定されたモーターと、前記加工工具筐体に固定され、前記モーターの回転駆動力を前記磁気カップリングの原動側磁石に伝達する伝達手段と、を有する加工装置である。

本発明によれば、回転軸の姿勢を調整可能で、かつ回転軸の姿勢を調整したときであってもモーターから回転軸に伝達される回転力の変動が小さく、かつ小型な回転装置を提供することができる。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。尚、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

実施形態１の加工装置の断面図。 ハウジング部、傾斜調整機構の配置の一例を示す平面図。 実施形態１の初期状態における回転ステージの姿勢を説明する断面図。 実施形態１の傾斜調整時における回転ステージの姿勢を説明する断面図。 実施形態１の磁石部の平面図。 実施形態２の磁石部の平面図。 実施形態２の回転ステージを示す断面図。 実施形態３の磁石部の平面図。 実施形態４の加工装置の断面図。

［実施形態１］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態１である加工装置について説明する。
図１は、実施形態１である半導体ウエハを研削加工する加工装置の概略構成を模式的に示した断面図である。

本装置は、上方に配置した砥石を回転させながら下降させ、回転ステージのチャックプレートに保持されて回転している半導体ウエハに接触させ、半導体ウエハが所定の厚みになるまで研削する装置である。
回転ステージから順に説明してゆく。図１において、Ｗは被加工物である半導体ウエハ、１は半導体ウエハＷを保持するチャックプレートである。

チャックプレート１は、半導体ウエハＷよりも大きな円板であり、例えばアルミナのようなセラミックより成る。チャックプレート１の上面、すなわち半導体ウエハＷが保持される面には、同心円状の溝２５が複数設けられている。溝２５は、チャックプレート１の底面あるいは側面の所定の位置まで貫通する不図示の連通路と接続しており、この連通路には不図示の真空ポンプから負圧が供給される。半導体ウエハＷをチャックプレートに載置すると、半導体ウエハＷの底面と溝２５が形成する空間は負圧となり、半導体ウエハＷはチャックプレート１に吸着される。

２は、チャックプレート１を回動可能に支持する静圧気体軸受である。静圧気体軸受２は、ローター部と軸受けハウジング部を備え、軸受けハウジング部の多孔質絞りからローター部との隙間に気体を噴出することにより、ローター部を非接触で回転自在に支持することができる。多孔質絞りの材料には、銅合金、超硬合金、カーボン系材料、あるいは多孔質セラミックス等が用いられる。

ローター部は、中空軸４、スラストプレート５、スラストプレート６、磁石保持部１２、従動側磁石部１３を備えている。図中のＡ１は、ローター部の中心軸である。中空軸４、スラストプレート５、スラストプレート６は、金属材料によって作られている。

スラストプレート５の上方にはチャックプレート１が装着されており、チャックプレート１はローター部と一体に回転する。また、スラストプレート６の下方には、中空の磁石保持部１２が設けられ、その外側面には従動側磁石部１３が固定されている。従動側磁石部１３は、後述する原動側磁石部１６とともにイン・アウトタイプの磁気カップリングを構成している。すなわち、磁石保持部１２には、磁気カップリングの一部である従動側磁石部１３が、中心軸Ａ１を中心に同心円状に保持されている。従動側磁石部１３は、予めＮ極に着磁された複数の磁石と、これと同数の予めＳ極に着磁された磁石が、等角度間隔で交互に配置されている。

ハウジング部は、本体７、ラジアル軸受パッド８、スラスト軸受パッド９、スラスト軸受パッド１０を備えている。ラジアル軸受パッド８、スラスト軸受パッド９、スラスト軸受パッド１０は多孔質体から成り、焼きばめや接着等によってハウジング部の本体７に固着されている。ハウジング部の本体７は円環形状で、その側面には加圧気体供給孔１１が設けられており、不図示の加圧気体供給源に接続されている。加圧気体供給源から加圧気体供給孔１１に供給される加圧気体は、分配流路１１ａを経て、ラジアル軸受パッド８、スラスト軸受パッド９、スラスト軸受パッド１０に分配供給され、各パッドからは気体が噴出する。

ラジアル軸受パッド８はローター部の中空軸４を囲んで円環状に設けられており、中空軸４の外面である軸受面３と対向している。スラスト軸受パッド９は、ローター部の中心軸Ａ１を囲んで円環状に設けられており、スラストプレート５の下面である軸受面５ａと対向している。スラスト軸受パッド１０は、ローター部の中心軸Ａ１を囲んで円環状に設けられており、スラストプレート６の上面である軸受面６ａと対向している。各パッドから噴出する気体の圧力により、ローター部はハウジング部から離間して回転可能に支持される。

各軸受けパッドにはカーボングラファイトが、各軸受面の表面被覆にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が好適に用いられる。予期しない過負荷や供給される気体の圧力不足または回転速度の低下等によって、互いに対向する軸受面が接触したときに、摩擦を大幅に低減し、焼付きやかじり、あるいは軸受精度の低下を防ぐことができるからである。カーボングラファイトは、結晶面のすべりによる自己潤滑性と耐摩耗性にすぐれており、摩擦の発生も一層大幅に軽減できるという利点がある。

ハウジング部の本体７は、支柱２６および複数の傾斜調整機構１９により回転ステージ筐体２０の上に支持されている。図２は、本体７と支柱２６および傾斜調整機構１９の配置を示すため、円環状の本体７の下面をＺ方向に沿って見た平面図で、支柱２６と２個の傾斜調整機構１９が、円環の中心に対して互いに１２０度の角度をなして配置されている。本体７は、一定な高さの支柱２６と、Ｚ方向に伸縮可能な２つの傾斜調整機構１９により支持されており、２つの傾斜調整機構１９のＺ方向の伸縮を独立に調整することにより、回転ステージ筐体２０に対する本体７の姿勢を制御することができる。傾斜調整機構１９としては、電動シリンダを用いる。

尚、ハウジング部の本体７の姿勢を調整可能な支持方法は、本実施形態の例に限られたものではなく、例えば４つの傾斜調整機構を正方配置してもよい。また、傾斜調整機構は、Ｚ方向の長さを制御できるものであればよく、例えば圧電素子を用いたり、電動モーターでボールねじを回動させて静圧軸受け本体を支持する可動ピンを進退させる方式を採用することも可能である。
また、傾斜調整の基準点は、図示した支柱２６の先端位置には限られず、他の場所に設けてもよい。

回転ステージ筐体２０の内部には、ローター部に回転力を付与するための駆動機構として、プーリー１４、軸受１５、原動側磁石部１６、ベルト１７、モーター１８が設置されている。

プーリー１４は中空の軸部材で、その内径側には原動側磁石部１６が固定されている。軸受け１５は例えば深溝玉軸受であり、原動側磁石部１６が従動側磁石部１３と対向する高さになる位置で、プーリー１４を回転可能に支持する。図５Ａは、磁石の配置を示すための平面図である。原動側磁石部と従動側磁石部は、互いに異なる直径の円筒の側面に沿ってＮ極とＳ極が交互に配置された磁石である。原動側磁石部１６は、従動側磁石部１３とは逆の磁極を着磁した磁石が対向するよう配置されており、磁気力の作用によりカップリング機能を発揮することになり、プーリー１４が回転すれば、ローター部も従動して回転する。原動側磁石部１６と従動側磁石部１３とで、イン・アウトタイプの磁気カップリングを構成している。尚、従動側磁石部１３と原動側磁石部１６のスラスト方向（Ｚ方向）の長さは、図１では同じ長さで示されているが、必ずしも同一でなくともよい。
半導体ウエハを研削加工する加工装置の場合、高い精度で半導体ウエハを平坦化するためには回転ステージの姿勢を調整し安定化させる必要がある。この点で、例えば板ばねのような弾性部材で連結させて回転力を伝達する接触式のカップリング方式では、回転ステージを傾斜させた際に、カップリング部の弾性部材の変形により抵抗が発生し、回転ステージの姿勢が不安定になり得る。また、弾性部材が繰り返し変形することにより劣化することもあり、十分な耐久性が期待できない。
一方、実施形態１あるいは後述する他の実施形態で用いる磁気カップリングは、原動側と従動側が非接触であることから、回転ステージを傾斜させた際に部材が変形して抵抗が発生するようなことはなく、また高い耐久性を実現できる。尚、実施形態１あるいは後述する他の実施形態の説明において図示してはいないが、磁気カップリングの従動側磁石が原動側磁石に接することを確実に防止するため、傾斜角度を制限するストッパーを設けてもよい。

回転ステージ筐体２０には、モーター１８が固定され、モーター１８の回転駆動力をプーリー１４に伝達するための無端状のベルト１７が、モーター１８の回転軸とプーリー１４に巻き掛けられている。プーリー１４、ベルト１７、モーター１８によりベルト駆動機構が形成されている。

次に、加工工具部について説明する。加工工具部は、砥石を回転させながら下降させ、回転ステージのチャックプレート１に保持されて回転している半導体ウエハＷに砥石を接触させることができる。加工工具部は、ビルトインモーター２１、軸受２２、チャック２３、砥石２４を備えている。ビルトインモーター２１の回転は、軸受２２を介して砥石２４に伝達される。図中のＡ２は、ビルトインモーター２１の回転軸である。砥石２４には、例えば直径３００ｍｍのダイヤモンドホイールが用いられ、１０００〜４０００回転／毎分の速度で回転する。砥石２４はチャック２３で支持されており、半導体ウエハＷに向けて下降させていった時、半導体ウエハＷにＺ方向と反対側の力を印加しながら回転軸Ａ２を中心に回転することができる。

尚、本実施形態では、加工工具である砥石２４にモーターの回転力を伝達するのに軸受２２を用いているが、これに限る必要はない。例えば、ベルトとプーリーの組合せや、ギヤを用いて回転力を伝達してもよい。

以上の回転ステージと加工工具部を備えた本実施形態の加工装置は、半導体ウエハを薄化するためのインフィード加工を行うが、半導体ウエハの平坦性は、加工時における砥石２４と半導体ウエハＷの相対的な角度に依存する。本実施形態の加工装置では、不図示のセンサを用いて砥石２４と半導体ウエハＷの相対的な角度を検知し、両者が適正な角度となるよう傾斜調整機構を駆動制御して、回転ステージのローターの傾斜を調整する。

図３は、砥石２４を半導体ウエハＷに接触させて加工を開始する前、すなわち初期状態における回転ステージの姿勢を説明するための断面図である。
半導体ウエハＷが水平面すなわちＸＹ平面と平行になるように、傾斜調整機構１９はハウジング部の本体７の姿勢を調整する。この状態では、ハウジング部から離間して回転可能に支持されているローター部の主面は当然に水平面すなわちＸＹ平面と平行になり、ローター部の中心軸Ａ１はＺ軸と平行になる。プーリー１４は、回転軸方向がＺ軸と平行になるよう軸受け１５で支持されており、モーター１８の回転力をプーリー１４に伝達するための無端状のベルト１７が張架されている方向Ｔは、水平すなわちＸＹ平面と平行になっている。尚、図中のＣは、ローター部の中心軸Ａ１が垂直すなわちＺ軸と平行になっている状態におけるプーリー１４とローターの距離、すなわち磁気カップリングの原動側磁石部１６と従動側磁石部１３の距離である。また、図中のＨは、傾斜調整の際の基準点である支柱２６の先端から、ローターの最下点である磁気カップリングまでの、Ｚ方向の距離である。

次に、図４は、砥石２４を半導体ウエハＷに接触させて加工をしている際に、傾斜調整機構を駆動制御して、回転ステージのローターの傾斜を調整している状態を説明するための断面図である。尚、説明の便宜から、加工工具部は図示を省略している。

図４は、ハウジング部が水平面に対してθだけ傾斜するように傾斜調整機構１９が動作した状態を示している。この状態では、ハウジング部から離間して回転可能に支持されているローター部の主面は当然に水平面すなわちＸＹ平面からθだけ傾斜し、ローター部の中心軸Ａ１はＺ軸からθだけ傾斜している。しかし、プーリー１４は、回転軸方向がＺ軸と平行になるよう軸受け１５で支持されており、モーター１８の回転力をプーリー１４に伝達するための無端状のベルト１７が張架されている方向Ｔは、水平すなわちＸＹ平面と平行になっている。

すなわち、本実施形態の加工装置においては、回転ステージのローターの傾斜を調整した際にも、ローター部に回転力を付与するための駆動機構であるプーリー１４、軸受１５、原動側磁石部１６、ベルト１７、モーター１８の配置は影響を受けない。したがって、ローター部の回転軸を傾斜させても、モーターの回転力を伝達するベルトの張力が変化してしまうことはない。このため、研削工具の姿勢を調整する度にベルトの張力が変化してしまうことはなく、回転軸に回転力を安定して伝達することができ、半導体ウエハの回転が不安定になることはない。また、ベルトの周期的な伸縮運動が回転軸に作用することで、回転軸に不要な振動を誘起してしまう恐れもない。このため、半導体ウエハの加工精度を極めて高くすることができる。

また、本実施形態では、傾斜調整機構が傾斜させ得る静圧気体軸受あるいはローターの傾斜角度θの最大値をθＭＡＸ［度］としたとき、以下の数式１と数式２が成立するように構成されている。

（数式１）
｜Ｕ×（１−ｃｏｓθＭＡＸ）−Ｖ×ｓｉｎθＭＡＸ｜＜Ｃ

（数式２）
｜Ｕ×ｓｉｎθＭＡＸ＋Ｖ×（ｃｏｓθＭＡＸ−１）｜＜Ｄ

ただし、Ｃ［ｍ］は、ローター部の中心軸Ａ１が鉛直方向すなわち重力方向（Ｚ軸）と平行になっている状態におけるプーリー１４とローターの距離、すなわち磁気カップリングの原動側磁石部１６と従動側磁石部１３の距離である。尚、ローター部の中心軸Ａ１が鉛直方向すなわち重力方向（Ｚ軸）と平行になっている状態とは、傾斜調整機構が調整する角度が０［度］の状態であると言い換えることもできる。
また、ローター部の中心軸Ａ１が鉛直すなわちＺ軸と平行になっている状態において、傾斜調整の際の基準点である支柱２６の先端をＧ点とし、従動側磁石部１３のうちＧ点から最も遠い最遠点をＰ点としたとき、Ｕ［ｍ］はＧ点とＰ点の水平方向（Ｘ方向）の距離である。また、Ｖ［ｍ］はＧ点とＰ点の鉛直方向（Ｚ方向）の距離である。
また、中心軸Ａ１がＺ軸と平行になっている状態と比べて磁気カップリングが伝達するトルクが３０％減少する角度まで中心軸Ａ１を傾斜させた状態において、従動側磁石部１３のうちＧから最も遠い最遠点をＱ点としたとき、Ｄ［ｍ］はＰ点とＱ点のＺ方向の距離である。言い換えれば、傾斜調整手段が、傾斜角度を０度から磁気カップリングが伝達するトルクが３０％減少する角度まで傾斜角度を増加させる間に、従動側磁石が鉛直方向に移動する距離がＤ［ｍ］である。

あるいは、本実施形態では、上記の数式１と下記の数式３が成立するように構成されている。

（数式３）
Ｔｑ（θＭＡＸ）＞Ｔｑ（θ０）×０．７

ただし、Ｔｑ（θ０）［Ｎ・ｍ］は傾斜調整機構の傾斜角度が０［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクを表し、Ｔｑ（θＭＡＸ）［Ｎ・ｍ］は傾斜調整機構の傾斜角度がθＭＡＸ［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクを表す。ここで、Ｔｑ（θ０）［Ｎ・ｍ］とＴｑ（θＭＡＸ）［Ｎ・ｍ］は、それぞれ傾斜角度が０［度］とθＭＡＸ［度］の状態において、同じ大きさのトルクを原動側磁石部に入力した場合にローターに伝達されるトルクである。

このように、本実施形態の装置は、数式１と数式２のペア、あるいは数式１と数式３のペアのうち、少なくとも一方のペアを満足するよう構成されている。このため、ローター部と駆動機構のプーリーが接触することはなく、傾斜調整機構の駆動状態によらず、安定して駆動力を伝達することができる。さらには、ローター部と駆動機構のプーリーが接触することがないため、静圧空気軸受の軸支機構に過度の負荷がかかることはなく、静圧空気軸受の動作も安定し寿命を長くすることができる。

［実施形態２］
実施形態１の加工装置では、回転ステージのローター部に回転力を付与するための駆動機構に、イン・アウトタイプの磁気カップリングを用いたが、実施形態２ではディスクタイプの磁気カップリングを用いる。

図６は、実施形態２の回転ステージを示す断面図で、実施形態１と同様のローター部とハウジング部を備えている。図３に示した実施形態１の回転ステージと同様の部分については、図６においても同一の番号を付して示しており、詳細な説明は省略する。

図６において、６１はディスク型の従動側磁石部、６２はディスク型の原動側磁石部で、ともに図５Ｂの平面図に示すように磁石５１が配置されている。すなわち、従動側磁石部６１は、予めＮ極に着磁された複数の磁石と、これと同数の予めＳ極に着磁された磁石が、中心軸Ａ１を中心に等角度間隔で放射状に交互に配置されている。また、原動側磁石部６２も、予めＮ極に着磁された複数の磁石と、これと同数の予めＳ極に着磁された磁石が、回転軸を中心に等角度間隔で放射状に交互に配置されている。そして、従動側磁石部６１と原動側磁石部６２とは、互のＮ極とＳ極が対向するように配置されており、磁気力の作用によりカップリング機能を発揮することになり、プーリー１４が回転すれば、ローター部も従動して回転する。原動側磁石部６２と従動側磁石部６１とで、ディスクタイプの磁気カップリングを構成している。

本実施形態の加工装置においても、回転ステージのローターの傾斜を調整した際にも、ローター部に回転力を付与するための駆動機構であるプーリー１４、軸受１５、原動側磁石部６２、ベルト１７、モーター１８の配置は影響を受けない。

したがって、ローター部の回転軸を傾斜させても、モーターの回転力を伝達するベルトの張力が変化してしまうことはない。このため、研削工具の姿勢を調整する度にベルトの張力が変化してしまうことはなく、回転軸に回転力を安定して伝達することができ、半導体ウエハの回転が不安定になることはない。また、ベルトの周期的な伸縮運動が回転軸に作用することで、回転軸に不要な振動を誘起してしまう恐れもない。

また、本実施形態では、傾斜調整機構が傾斜させ得る静圧軸受あるいはローターの傾斜角度θの最大値をθＭＡＸ［度］としたとき、以下の数式４と数式５が成立するように構成されている。

（数式４）
｜Ｅ×ｓｉｎθＭＡＸ＋Ｆ×（ｃｏｓθＭＡＸ−１）｜＜ＤＳ

（数式５）
｜Ｅ×（１−ｃｏｓθＭＡＸ）−Ｆ×ｓｉｎθＭＡＸ｜＜ＸＳ

ただし、ＤＳ［ｍ］は、ローター部の中心軸Ａ１が鉛直方向すなわち重力方向（Ｚ軸）と平行になっている状態における原動側磁石部６２と従動側磁石部６１の距離である。尚、ローター部の中心軸Ａ１が鉛直方向すなわち重力方向（Ｚ軸）と平行になっている状態とは、傾斜調整機構が調整する角度が０［度］の状態であると言い換えることもできる。
また、ローター部の中心軸Ａ１が鉛直すなわちＺ軸と平行になっている状態において、傾斜調整の際の基準点である支柱２６の先端をＧ点とし、従動側磁石部６１のうちＧ点から最も遠い最遠点をＰ点としたとき、Ｅ［ｍ］は、Ｇ点とＰ点の水平方向（Ｘ方向）の距離である。また、Ｆ［ｍ］はＧ点とＰ点の鉛直方向（Ｚ方向）の距離である。
また、中心軸Ａ１がＺ軸と平行になっている状態と比べて磁気カップリングが伝達するトルクが３０％減少する角度まで中心軸Ａ１を傾斜させた状態において、従動側磁石部６１のうちＧから最も遠い最遠点をＱ点としたとき、ＸＳ［ｍ］はＰ点とＱ点のＸ方向の距離である。言い換えれば、傾斜調整手段が、傾斜角度を０［度］から磁気カップリングが伝達するトルクが３０％減少する角度まで傾斜角度を増加させる間に、従動側磁石が水平方向に移動する距離がＸＳ［ｍ］である。

あるいは、本実施形態では、上記の数式４と下記の数式６が成立するように構成されている。

（数式６）
Ｔｑ（θＭＡＸ）＞Ｔｑ（θ０）×０．７

ただし、Ｔｑ（θ０）［Ｎ・ｍ］は傾斜調整機構の傾斜角度が０［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクを表し、Ｔｑ（θＭＡＸ）［Ｎ・ｍ］は傾斜調整機構の傾斜角度がθＭＡＸ［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクを表す。ここで、Ｔｑ（θ０）［Ｎ・ｍ］とＴｑ（θＭＡＸ）［Ｎ・ｍ］は、それぞれ傾斜角度が０［度］とθＭＡＸ［度］の状態において、同じ大きさのトルクを原動側磁石部に入力した場合にローターに伝達されるトルクである。

このように、本実施形態の装置は、数式４と数式５のペア、あるいは数式４と数式６のペアのうち、少なくとも一方のペアを満足するよう構成されている。このため、原動側磁石部６２と従動側磁石部６１が接触することはなく、傾斜調整機構の駆動状態によらず、安定して駆動力を伝達することができる。さらには、静圧空気軸受の軸支機構に過度の負荷がかかることはなく、静圧空気軸受の動作も安定し寿命を長くすることができる。

［実施形態３］
実施形態２の加工装置では、回転ステージのローター部に回転力を付与するための駆動機構に図５Ｂに示したディスクタイプの磁気カップリングを用いたが、実施形態３では磁石の配列が異なるディスクタイプの磁気カップリングを用いる。
実施形態３の回転ステージも、ディスク型の従動側磁石部とディスク型の原動側磁石部を備える。回転ステージの断面図は、図６と同様なので、説明は省略する。

実施形態３の従動側磁石部と原動側磁石部は、ともに図７に示す平面形状の磁石７１を備える。予めＮ極に着磁された複数の磁石と、これと同数の予めＳ極に着磁された磁石が、回転軸を中心に等角度間隔で放射状に交互に配置されている点では、実施形態２と同様だが、回転軸部分にＮ極を配置した点が異なる。従動側磁石部と原動側磁石部とは、円周部では互のＮ極とＳ極を対向させてカップリングさせるが、回転軸部分では互いに同極性の磁極が対向するため反発力が生じ、スラスト方向にかかる荷重を支えるように作用する。このため、両磁石部の間隔を安定させることができる。

本実施形態の加工装置においても、回転ステージのローターの傾斜を調整した際にも、ローター部に回転力を付与するための駆動機構であるプーリー１４、軸受１５、原動側磁石部６２、ベルト１７、モーター１８の配置は影響を受けない。

したがって、ローター部の回転軸を傾斜させても、モーターの回転力を伝達するベルトの張力が変化してしまうことはない。このため、研削工具の姿勢を調整する度にベルトの張力が変化してしまうことはなく、回転軸に回転力を安定して伝達することができ、半導体ウエハの回転が不安定になることはない。また、ベルトの周期的な伸縮運動が回転軸に作用することで、回転軸に不要な振動を誘起してしまう恐れもない。

また、先に述べた数式２の関係を満たすよう構成されているため、本実施形態の装置においても、原動側磁石部６２と従動側磁石部６１が接触することはなく、傾斜調整機構の駆動状態によらず、安定して駆動力を伝達することができる。さらには、静圧空気軸受の軸支機構に過度の負荷がかかることはなく、静圧空気軸受の動作も安定し寿命を長くすることができる。

［実施形態４］
実施形態１〜３の加工装置では、被加工物を保持する回転ステージの回転機構に、傾斜調整機構を備えた静圧気体軸受と磁気カップリングを用いたが、実施形態４では、加工工具の回転機構に傾斜調整機構を備えた静圧気体軸受と磁気カップリングを用いる。
図８は、実施形態４の半導体ウエハを研削加工する加工装置の概略構成を模式的に示した断面図である。

本装置は、上方に配置した砥石を回転させながら下降させ、回転ステージのチャックプレートに保持されて回転している半導体ウエハに接触させ、半導体ウエハが所定の厚みになるまで研削する装置である。
回転ステージから順に説明してゆく。図８において、Ｗは被加工物である半導体ウエハ、１は半導体ウエハＷを保持するチャックプレートである。

チャックプレート１は、半導体ウエハＷよりも大きな円板状であり、例えばアルミナのような多孔質材料より成る。チャックプレート１の上面、すなわち半導体ウエハＷが保持される面には、同心円状の溝２５が複数設けられている。溝２５は、チャックプレート１の底面あるいは側面の所定の位置まで貫通する不図示の連通路と接続しており、この連通路には不図示の真空ポンプから負圧が供給される。半導体ウエハＷをチャックプレートに載置すると、半導体ウエハＷの底面と溝２５が形成する空間は負圧となり、半導体ウエハＷはチャックプレート１に吸着される。ビルトインモーター２１の回転は、軸受２２を介してチャックプレート１に伝達される。図中のＡ２は、ビルトインモーター２１の回転軸である。

次に、加工工具部について説明する。加工工具部は、砥石を回転させながら下降させ、回転ステージのチャックプレート１に保持されて回転している半導体ウエハＷに砥石を接触させることができる。砥石２４には、例えば直径３００ｍｍのダイヤモンドホイールが用いられ、１０００〜４０００回転／毎分の速度で回転する。砥石２４を半導体ウエハＷに向けて下降させていった時、砥石２４はチャック２３を介してスラストプレート５およびスラストプレート６でＺ方向に支持されているため、半導体ウエハＷにＺ方向と反対側の力を印加しながら回転軸Ａ１を中心に回転することができる。

２は、加工工具を回動可能に支持する静圧気体軸受である。静圧気体軸受２は、ローター部と軸受けハウジング部を備え、軸受けハウジング部の多孔質絞りからローター部との隙間に気体を噴出することにより、ローター部を非接触で回転自在に支持することができる。多孔質絞りの材料には、銅合金、超硬合金、カーボン系材料、あるいは多孔質セラミックス等が用いられる。

ローター部は、中空軸４、スラストプレート５、スラストプレート６、磁石保持部１２、従動側磁石部１３を備えている。図中のＡ１は、ローター部の中心軸である。中空軸４、スラストプレート５、スラストプレート６は、金属材料によって作られている。

スラストプレート５の下方にはチャック２３を介して砥石２４が装着されており、砥石２４はローター部と一体に回転する。また、スラストプレート６の上方には、中空の磁石保持部１２が設けられ、その外側面には従動側磁石部１３が固定されている。従動側磁石部１３は、原動側磁石部１６とともにイン・アウトタイプの磁気カップリングを構成している。すなわち、磁石保持部１２には、磁気カップリングの一部である従動側磁石部１３が、中心軸Ａ１を中心に同心円状に保持されている。従動側磁石部１３は、予めＮ極に着磁された複数の磁石と、これと同数の予めＳ極に着磁された磁石が、等角度間隔で交互に配置されている。

ハウジング部は、本体７、ラジアル軸受パッド８、スラスト軸受パッド９、スラスト軸受パッド１０を備えている。ラジアル軸受パッド８、スラスト軸受パッド９、スラスト軸受パッド１０は多孔質体から成り、焼きばめや接着等によってハウジング部の本体７に固着されている。ハウジング部の本体７は円環形状で、その側面には加圧気体供給孔１１が設けられており、不図示の加圧気体供給源に接続されている。加圧気体供給源から加圧気体供給孔１１に供給される加圧気体は、分配流路１１ａを経て、ラジアル軸受パッド８、スラスト軸受パッド９、スラスト軸受パッド１０に分配供給され、各パッドからは気体が噴出する。

ラジアル軸受パッド８はローター部の中空軸４を囲んで円環状に設けられており、中空軸４の外面である軸受面３と対向している。スラスト軸受パッド９は、ローター部の中心軸Ａ１を囲んで円環状に設けられており、スラストプレート５の上面と対向している。スラスト軸受パッド１０は、ローター部の中心軸Ａ１を囲んで円環状に設けられており、スラストプレート６の下面と対向している。各パッドから噴出する気体の圧力により、ローター部はハウジング部から離間して回転可能に支持される。

各軸受けパッドにはカーボングラファイトが、各軸受面の表面被覆にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が好適に用いられる。予期しない過負荷や供給される気体の圧力不足または回転速度の低下等によって、互いに対向する軸受面が接触したときに、摩擦を大幅に低減し、焼付きやかじり、あるいは軸受精度の低下を防ぐことができるからである。カーボングラファイトは、結晶面のすべりによる自己潤滑性と耐摩耗性にすぐれており、摩擦の発生も一層大幅に軽減できるという利点がある。

ハウジング部の本体７は、複数の傾斜調整機構１９により加工工具筐体８０に懸架されている。傾斜調整機構１９のＺ方向の伸縮を独立に調整することにより、加工工具筐体８０に対する本体７の姿勢を制御することができる。その結果、ローター部とともに回転する砥石２４の姿勢を制御することができる。傾斜調整機構１９としては、例えば電動シリンダを用いる。

加工工具筐体８０の内部には、ローター部に回転力を付与するための駆動機構として、プーリー１４、軸受１５、原動側磁石部１６、ベルト１７、モーター１８が設置されている。

プーリー１４は中空の軸部材で、その内径側には原動側磁石部１６が固定されている。軸受け１５は例えば深溝玉軸受であり、原動側磁石部１６が従動側磁石部１３と対向する高さになる位置で、プーリー１４を回転可能に支持する。図５Ａは、磁石の配置を示すための平面図である。原動側磁石部１６には、従動側磁石部１３とは逆の磁極を着磁した磁石が対向して配置されており、磁気力の作用によりカップリング機能を発揮することになり、プーリー１４が回転すれば、ローター部も従動して回転する。原動側磁石部１６と従動側磁石部１３とで、イン・アウトタイプの磁気カップリングを構成している。尚、従動側磁石部１３と原動側磁石部１６のスラスト方向（Ｚ方向）の長さは、図８では同じ長さで示されているが、必ずしも同一でなくともよい。

加工工具筐体８０には、モーター１８が固定され、モーター１８の回転駆動力をプーリー１４に伝達するための無端状のベルト１７が、モーター１８の回転軸とプーリー１４に巻き掛けられている。プーリー１４、ベルト１７、モーター１８によりベルト駆動機構が形成されている。

本実施形態の加工装置においては、加工工具部のローターの傾斜を調整した際にも、ローター部に回転力を付与するための駆動機構であるプーリー１４、軸受１５、原動側磁石部１６、ベルト１７、モーター１８の配置は影響を受けない。

したがって、インフィード加工を行う際にローター部の回転軸を傾斜させても、モーターの回転力を伝達するベルトの張力が変化してしまうことはない。このため、研削工具の砥石２４の姿勢を調整する度にベルトの張力が変化してしまうことはなく、回転軸に回転力を安定して伝達することができ、砥石２４の回転が不安定になることはない。また、ベルトの周期的な伸縮運動が回転軸に作用することで、回転軸に不要な振動を誘起してしまう恐れもない。

また、先に述べた数式１の関係を満たすよう構成されているため、本実施形態の装置においても、原動側磁石部と従動側磁石部が接触することはなく、傾斜調整機構の駆動状態によらず、安定して駆動力を伝達することができる。さらには、静圧空気軸受の軸支機構に過度の負荷がかかることはなく、静圧空気軸受の動作も安定し寿命を長くすることができる。
尚、本実施形態では磁気カップリングとして図５Ａに示したイン・アウトタイプを用いたが、図５Ｂあるいは図７に示したディスクタイプを用いることも可能である。

［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した実施形態に限られるものではなく、適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能である。

例えば、実施形態１乃至３では、モーターの回転力を回転ステージに伝達する経路中において、ベルトとプーリーを用いて原動側磁石部に回転力を伝達したが、本発明の実施形態はこの例に限らない。例えば、モーターからギヤあるいは減速器を介して磁気カップリングの原動側磁石部に回転力を伝達してもよいし、場合によっては、モーターと原動側磁石部を直結させてもよい。このような場合でも、本発明によれば磁気カップリングの作用により伝達系が分離されるため、ローターの傾斜を調整した際に原動側に影響が及ぶことはない。
また、傾斜調整の基準点の位置は、上述した実施形態で図示した例には限られず、他の場所に設けてもよい。
また、磁気カップリングの従動側磁石が原動側磁石に接することが無いように、傾斜を制限するストッパーを設けてもよい。

さらには、本発明の実施は、半導体ウエハを被加工物とする研削装置に限るものではない。また、被加工物の保持機構は真空チャックに限られるものではなく、被加工物の性質に合わせて、例えば静電チャック等の他の保持機構を用いてもよい。

また、本発明を実施した加工装置が行う加工処理は、平坦化を目的とした研削に限られるわけではなく、例えば穴あけ、切削、曲面研磨、等であってもよい。すなわち、本発明は、目的とする加工処理に応じて、加工工具や被加工物の保持機構を適宜選択すれば、その回転軸の軸支に好適に用いることができる。

また、磁気カップリングの従動側磁石を備えたローターと、ローターを回動可能に軸支する静圧気体軸受と、静圧気体軸受の姿勢を調整する傾斜調整手段と、モーターと、モーターの回転駆動力を磁気カップリングの原動側磁石に伝達する伝達手段とを設けた本発明の回転装置において、回転させる対象物は被加工物や加工工具には限られない。すなわち、実施形態で説明した加工装置に含まれる機構と同様な回転装置を用いれば、保持した対象物を精度良く回転させることができるので、本発明の回転装置は、測定装置等の産業機器にも適用することができる。

本発明は、回転する加工工具と、被加工物を保持する回転ステージを有する加工装置において実施することができる。特に、半導体ウエハ等の被加工物を保持する回転ステージと、被加工物を研削するための回転工具とを備え、回転軸の姿勢調整が可能な加工装置において好適に実施することができる。
本発明は、上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

１・・・チャックプレート／２・・・静圧気体軸受／３・・・軸受面／４・・・中空軸／５・・・スラストプレート／５ａ・・・軸受面／６・・・スラストプレート／６ａ・・・軸受面／７・・・本体／８・・・ラジアル軸受パッド／９・・・スラスト軸受パッド／１０・・・スラスト軸受パッド／１１・・・加圧気体供給孔／１１ａ・・・分配流路／１２・・・磁石保持部／１３・・・従動側磁石部／１４・・・プーリー／１５・・・軸受／１６・・・原動側磁石部／１７・・・ベルト／１８・・・モーター／１９・・・傾斜調整機構／２０・・・回転ステージ筐体／２１・・・ビルトインモーター／２２・・・軸受／２３・・・チャック／２４・・・砥石／２６・・・支柱／５１・・・磁石／６１・・・ディスク型の従動側磁石部／６２・・・ディスク型の原動側磁石部／７１・・・磁石／Ｗ・・・半導体ウエハ

Claims (11)

1. 加工工具を保持する回転可能なチャックと、
   被加工物を保持するチャックプレートと、
   前記チャックプレートが取り付けられ、磁気カップリングの従動側磁石を備えたローターと、
   前記ローターを回動可能に軸支する静圧気体軸受と、
   前記静圧気体軸受の姿勢を調整する傾斜調整手段と、
   回転ステージ筐体に固定されたモーターと、
   前記回転ステージ筐体に固定され、前記モーターの回転駆動力を前記磁気カップリングの原動側磁石に伝達する伝達手段と、を有する加工装置。
2. 前記チャックプレートは真空チャックで、前記ローターは中空の回転軸を有し、前記回転軸の中空の部分を介して前記チャックプレートに負圧を供給する、
   請求項１に記載の加工装置。
3. 被加工物を保持する回転可能なチャックプレートと、
   加工工具を保持するチャックと、
   前記チャックが取り付けられ、磁気カップリングの従動側磁石を備えたローターと、
   前記ローターを回動可能に軸支する静圧気体軸受と、
   前記静圧気体軸受の姿勢を調整する傾斜調整手段と、
   加工工具筐体に固定されたモーターと、
   前記加工工具筐体に固定され、前記モーターの回転駆動力を前記磁気カップリングの原動側磁石に伝達する伝達手段と、を有する加工装置。
4. 前記伝達手段は、前記原動側磁石が固定されたプーリーと、前記プーリーと前記モーターの回転軸とに巻き掛けられた無端状のベルトと、を有する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加工装置。
5. 前記磁気カップリングの原動側磁石と従動側磁石は、互いに異なる直径の円筒の側面に沿ってＮ極とＳ極が交互に配置された磁石である、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工装置。
6. 前記傾斜調整手段が前記静圧気体軸受を傾斜させる角度の最大値をθＭＡＸ［度］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態における前記磁気カップリングの原動側磁石と従動側磁石の距離をＣ［ｍ］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度が０度の状態における傾斜調整の基準点から前記従動側磁石の最遠点までの鉛直方向の距離をＶ［ｍ］、水平方向の距離をＵ［ｍ］とし、
   前記傾斜調整手段が、傾斜角度を０［度］から磁気カップリングが伝達するトルクが３０％減少する角度まで傾斜角度を増加させる間に、前記従動側磁石が鉛直方向に移動する距離をＤ［ｍ］としたとき、
   ｜Ｕ×（１−ｃｏｓθＭＡＸ）−Ｖ×ｓｉｎθＭＡＸ｜＜Ｃ
   かつ
   ｜Ｕ×ｓｉｎθＭＡＸ＋Ｖ×（ｃｏｓθＭＡＸ−１）｜＜Ｄ
   が成立する、
   請求項５に記載の加工装置。
7. 前記傾斜調整手段が前記静圧気体軸受を傾斜させる角度の最大値をθＭＡＸ［度］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態における前記磁気カップリングの原動側磁石と従動側磁石の距離をＣ［ｍ］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態における傾斜調整の基準点から前記従動側磁石の最遠点までの鉛直方向の距離をＶ［ｍ］、水平方向の距離をＵ［ｍ］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクをＴｑ（θ０）［Ｎ・ｍ］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度がθＭＡＸ［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクをＴｑ（θＭＡＸ）［Ｎ・ｍ］としたとき、
   ｜Ｕ×（１−ｃｏｓθＭＡＸ）−Ｖ×ｓｉｎθＭＡＸ｜＜Ｃ
   かつ
   Ｔｑ（θＭＡＸ）＞Ｔｑ（θ０）×０．７
   が成立する、
   請求項５に記載の加工装置。
8. 前記磁気カップリングの原動側磁石と従動側磁石は、互いに異なるディスクの主面に沿ってＮ極とＳ極が放射状に交互に配置された磁石である、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工装置。
9. 前記傾斜調整手段が前記静圧気体軸受を傾斜させる角度の最大値をθＭＡＸ［度］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態における前記磁気カップリングの原動側磁石と従動側磁石の距離をＤＳ［ｍ］とし、
   前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態における傾斜調整の基準点から前記従動側磁石の最遠点までの鉛直方向の距離をＦ［ｍ］、水平方向の距離をＥ［ｍ］とし、
   前記傾斜調整手段が、傾斜角度を０［度］から磁気カップリングが伝達するトルクが３０％減少する角度まで傾斜角度を増加させる間に、前記従動側磁石が水平方向に移動する距離をＸＳ［ｍ］としたとき、
   ｜Ｅ×ｓｉｎθＭＡＸ＋Ｆ×（ｃｏｓθＭＡＸ−１）｜＜ＤＳ
   かつ
   ｜Ｅ×（１−ｃｏｓθＭＡＸ）−Ｆ×ｓｉｎθＭＡＸ｜＜ＸＳ
   が成立する、
   請求項８に記載の加工装置。
10. 前記傾斜調整手段が前記静圧気体軸受を傾斜させる角度の最大値をθＭＡＸ［度］とし、
    前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態における前記磁気カップリングの原動側磁石と従動側磁石の距離をＤＳ［ｍ］とし、
    前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態における傾斜調整の基準点から前記従動側磁石の最遠点までの鉛直方向の距離をＦ［ｍ］、水平方向の距離をＥ［ｍ］とし、
    前記傾斜調整手段の傾斜角度が０［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクをＴｑ（θ０）［Ｎ・ｍ］とし、
    前記傾斜調整手段の傾斜角度がθＭＡＸ［度］の状態において前記磁気カップリングが伝達するトルクをＴｑ（θＭＡＸ）［Ｎ・ｍ］としたとき、
    ｜Ｅ×ｓｉｎθＭＡＸ＋Ｆ×（ｃｏｓθＭＡＸ−１）｜＜ＤＳ
    かつ
    Ｔｑ（θＭＡＸ）＞Ｔｑ（θ０）×０．７
    が成立する、
    請求項８に記載の加工装置。
11. 前記被加工物は半導体ウエハで、前記加工工具は砥石で、前記砥石を用いたインフィード加工により前記半導体ウエハを研磨する、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の加工装置。

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