JPH1158194A - 超音波平面研削加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波振動をワークの研削に好適な振動パタ
ーンとなるように変換可能としてワークの厚さ方向への
大きなクラックの発生を抑えるとともに切り粉の排出も
良好な加工が可能な超音波平面研削加工装置を提供す
る。 【解決手段】 ワークテーブル上にセットしたワークＷ
との間で垂直及び水平方向に相対変位可能な回転主軸３
ａを、超音波振動負荷機構によって軸線方向に超音波振
動を付与可能とし、回転主軸３ａの下端には超音波振動
に共振可能な振動子５を設けるとともにこの振動子５の
下面に設けた研削用の研削砥粒層６を備え、振動子５は
上端側が小径で下端側が大径のほぼ円錐台状の外郭形状
とし且つその内部を中空として下端面を開放した断面形
状を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばコンピュ
ータ用のＩＣチップに利用されるシリコンウェーハ基板
等の平面研削に用いられる精密・超精密加工用の超音波
平面研削加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子基板用の素材として利用されている
シリコンウェーハに対する精密または超精密加工の分野
においては、たとえばラップ盤や超仕上盤等が従来から
利用され、前者では遊離砥粒を用いた湿式による研磨加
工及び後者では砥石の砥粒がワークに食い込んだときの
引っかき作用によって研削加工が行われる。また、シリ
ンダボア等の研削にはホーニング盤が一般に利用されて
おり、これも砥石または砥粒を利用したものである。

【０００３】このような各種の加工装置のほかに、超音
波を利用する超音波機械加工装置も精密加工及び超精密
加工の分野で活用され、この超音波による機械加工は引
張り破壊に弱い硬脆材料の特性を利用した加工法に主に
利用されている。超音波振動が負荷される工具によって
砥粒の衝撃押付けを利用するもので、ワークの微小クラ
ックの発生によって研削を進行させることができる。そ
して、超音波加工装置の基本的な構成は、超音波発振器
に接続したトランスデューサにホーンを連接し、このホ
ーンを振動工具として機能させるというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】超音波加工が好ましく
適用できるとされている脆性材料のワークに対して、ホ
ーンによって微小振動が負荷される研削工具の砥粒は、
上下方向及び横方向のクラックを同時に発生させる。そ
して、このクラックの発生が、先に述べたように研削力
の助長とその進行を促すことになる。

【０００５】ところが、従来の超音波加工装置では、加
工装置の回転主軸をワークの研削表面と直交させて研削
工具を同軸上で回転させる場合、回転主軸の軸線方向へ
の負荷が微小振動として研削工具に加えられる。このた
め、工具側の砥粒の衝撃押付けによる負荷はワークの厚
さ方向のほうが、研削工具の周方向よりも大きくなる傾
向にあり、したがってワーク表面に入るクラックも深く
刻みこまれるようになる。

【０００６】このようにワークの厚さ方向へのクラック
が深くて大きいと、ワークの表面ダメージが大きくなる
ほかクラックの著しい変位を招くことになる。特にＩＣ
チップ用のウエーハでは、このような表面ダメージやク
ラックの変位は致命的であるため、後工程として行われ
るポリッシング仕上の時間がかなり長くなり、生産性に
影響を及ぼす。

【０００７】一方、超音波加工装置においても、他の各
種の工作機械と同様にワークに対する加工の際の反力に
よって特にワークの支持部及び工具側の受け部に微小な
撓みが発生する。そして、これらの撓み変形はワーク側
及び工具側のそれぞれが合成されると撓み量も大きくな
ることから、工具に負荷される微小振動の振幅はワーク
に対しても変動してしまう。したがって、ワークの平面
度に微妙な偏差を招くことにもなる。

【０００８】このように、従来の超音波加工装置では、
平面研削のように振幅方向にクラックが大きく入ったり
切り粉の排出不良によって表面精度が低下してしまうほ
か、加工時の工具及びワーク側の支持の撓み変形による
平面度の劣化についての問題が残っている。

【０００９】本発明において解決すべき課題は、超音波
振動をワークの研削に好適な振動パターンとなるように
変換可能としてワークの厚さ方向への大きなクラックの
発生を抑えるとともに切り粉の排出も良好な加工が可能
な超音波平面研削加工装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波平面研削
加工装置は、ワークテーブル上にセットしたワークとの
間で垂直及び水平方向に相対変位可能であって且つ垂直
方向に軸線を持つ回転主軸と、この回転主軸に連接され
て軸線方向に超音波振動を付与する超音波振動負荷機構
と、回転主軸の下端に連結され超音波振動負荷機構から
の超音波振動に共振可能な振動子と、この振動子の下面
に設けた研削用の砥粒層とからなることを特徴とする。

【００１１】このような構成において、振動子は、上端
側が小径で下端側が大径のほぼ円錐台状の外郭形状を持
ち、その内部を中空として下端面を開放した断面形状を
持つものとすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の超音波平面研削加
工装置を平面研削盤に適用した例を示す正面図、図２は
その右側面図である。

【００１３】図において、超音波平面研削加工装置は剛
性を高く維持したベース１ａとこのベース１ａの背部端
から垂直に立ち上げたコラム１ｂによって本体１を構成
し、コラム１ｂの正面にはベース１ａの面に対して垂直
方向としたスライドガイド１ｃを設けている。また、ベ
ース１ａの上面には定盤２を配置し、この定盤２には図
２において左右方向に移動可能なＹ軸スライドテーブル
２ａを摺動構造によって連接する。そして、Ｙ軸スライ
ドテーブル２ａの上面にはその上端面を定盤２と平行に
形成したワークテーブル２ｂをその芯周りに旋回駆動可
能に設ける。

【００１４】コラム１ｂのスライドガイド１ｃには研削
ヘッド３を昇降駆動可能に連接する。この研削ヘッドは
３は、軸線を定盤２に対して直交させる姿勢とした回転
主軸３ａを備え、上端にはこの回転主軸３ａを回転駆動
するためのモータ３ｂを備えるとともに、このモータ３
ｂの下側には回転主軸３ａに対して軸線方向に微小振動
を負荷する超音波ロータリスピンドル４を配置したもの
である。

【００１５】図３は超音波ロータリスピンドル４の詳細
であって、同図の（ａ）は左側面図、同図の（ｂ）は同
図（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。

【００１６】超音波ロータリスピンドル４は、図３の
（ａ）に示すように、そのハウジング４ａをこれに一体
としたブラケット４ｂによってスライドガイド１ｃに連
接したもので、ハウジング４ａの上端に回転主軸３ａ用
のモータ３ｂを固定したものである。そして、ハウジン
グ４ａは回転主軸３ａの回転とは無縁とし軸線方向にの
み連接関係を持たせるようにし、超音波振動を回転主軸
３ａの上下方向の微小振動に変換可能な振動発生及び伝
達機構を組み込んだものとする。

【００１７】超音波ロータリスピンドル４に備える振動
発生機構は、従来の超音波加工装置と同様であり、超音
波発振器に接続したトランスデューサー及びこれ連結し
たコーンを振動源とし、ハウジング４ａの下端から突き
出しているホーン４ｃを回転主軸３ａに連接したもので
ある。このような振動発生機構によって、回転主軸３ａ
はモータ３ｂによって回転駆動されると同時に超音波ロ
ータリスピンドル４からの微小振動が伝達される。

【００１８】回転主軸３ａの下端には、超音波ロータリ
スピンドル４から伝達される超音波振動に共振して２０
〜４９ＫＨｚ程度の振動周波数で強制振動させられる振
動子５を同軸上に連結する。この振動子５は、その形状
及び質量を超音波ロータリスピンドル４の固有振動数に
対して共振するように設計されたものであり、図３の
（ａ）に示すように下端側を大径としたほぼ円錐台状の
外郭であって下端側を開放した中空構造を持つ。そし
て、振動子５の下端にはたとえば焼結法等によって一体
に接合されたダイヤモンド砥粒を利用した研削砥粒層６
を設ける。

【００１９】以上の構成において、ワークテーブル２ｂ
に位置決めして固定したワークＷの上面に研削ヘッド３
の研削砥粒層６を接触させて、このワークＷの表面を研
削する。この研削では、従来の研削盤と同様に、Ｙ軸ス
ライドテーブル２ａの図２における左右方向の往復スト
ローク及びワークテーブル２ｂの芯周りの回転の合成運
動及び研削ヘッド３の下降運動により、研削砥粒層６に
よりワークＷの表面が一様に研削される。

【００２０】このような研削加工において、モータ３ｂ
の駆動による回転主軸３ａの回転数は２０００〜８００
０ｒｐｍ程度であり、この回転数の範囲での振動子５の
下端部外周の周速は５００〜２０００ｍ／分程度であ
る。したがって、振動子５の下端面に形成した研削砥粒
層６の周方向の各断面の移動速度もこの振動子５の周速
より僅かに小さい程度である。

【００２１】振動子５が回転主軸３ａによって高速回転
させられるのと同時に、超音波ロータリスピンドル４の
ホーン４ｃによって振動子５には上下方向に超音波振動
が負荷される。この負荷振動の振動周波数は従来の超音
波加工装置のものと同様に２０ＫＨｚ〜４９ＫＨｚ程度
であり、このように高い振動周波数の負荷があると、振
動子５には図４に示すような伸縮運動が引き起こされ
る。

【００２２】すなわち、図４の（ａ）は超音波振動が負
荷されないままで振動子５が回転すときの状態であっ
て、回転主軸３ａの高速回転による軸線の振れやワーク
からの研削負荷等によって回転軸線が撓んで研削砥粒層
６による研削面の方向性は微小量変動しても、振動子５
自体の形状の変動は殆ど生じない。

【００２３】これに対して、ホーン４ｃによる超音波振
動が振動子５の軸線方向に負荷されるときには、振動子
５はその下端側の外径が大きな円錐台の外郭形状を持ち
しかもその内部を中空としていることから、下端側の半
径が微小な量だけ伸縮する変形を負荷振動数と同じサイ
クルで繰り返す。

【００２４】すなわち、振動子５は下端側の外径が次第
に大きくなる形状なので上端側に比べると下端側の回転
モーメントは大きく、しかもワークＷからの負荷がある
ものの回転主軸３ａに剛的に拘束されているのに比べる
と下端側は回転主軸３ａとの連結部に対しては相対的に
自由端となっている。そして、振動子５の円錐台状の周
壁の断面は振動負荷方向とは同軸上ではなく下端側が広
がるように交差する形状を持つ。したがって、回転主軸
３ａがその軸線方向に超音波振動して振動子５に負荷を
与えるときには、振動子５の周壁の傾斜方向への振幅を
持つような振動に変換される。

【００２５】以上のことから、振動子５は図４の（ａ）
の振動無負荷の状態のときから、同図の（ｂ）に示すよ
うに振動子５の周壁が延びる方向への変形、及び同図の
（ｃ）に示すように収縮する方向のへの変形を負荷され
る超音波振動と同じ振動数のサイクルで繰り返す。した
がって、振動子５の下端に形成されている研削砥粒層６
は、軸線方向のみの振動だけでなく半径方向へ拡大及び
収縮する向きの振動を伴うことになる。

【００２６】このように研削砥粒層６は、軸線方向及び
半径方向への振動による高振動数での微小変位を繰り返
す一方で、回転主軸３ａによる高速回転も加わるので、
結果的に研削砥粒層６はその中心を原点として三次元的
な挙動をする。したがって、研削砥粒層６は、ワークＷ
の表面に対して微小な波を打つような軌跡を描きながら
高速で移動することになり、研削砥粒層６の砥粒はワー
クＷへの切り込み方向への振動のときに切削効率を向上
させ、しかも上に浮き上がる向きの振動のときに切り粉
の排出を速やかに行わせることができる。

【００２７】また、このような振動子５の挙動のほか、
振動子５自身の高速回転によって軸線が鉛直線に対して
微小な捩じれ角度を持ちながら研削砥粒層６による研削
も行われる。

【００２８】このような振動子５の挙動は、図３におい
て説明したように、振動子５はその下端側の外径が大き
な円錐台の外郭形状を持ちしかもその内部を中空として
いることによるものと思われる。

【００２９】すなわち、上下方向の微小振動が振動子５
に伝達されると同時に回転主軸３ａによって振動子５は
高速回転するが、振動子５は下端側の外径が次第に大き
いので、上端側に比べると下端側の回転モーメントは大
きく、回転モーメントの差によって下端側が振れ回り運
動を引き起こしやすい。

【００３０】一方、振動子５には上下方向の超音波振動
が負荷されていて、この上下方向の振動負荷は円錐台状
の振動子５の周壁に伝達されるとき、周壁が軸線に対し
て傾斜した断面を持つので、振動負荷が半径方向への分
力として分解される。したがって、振動子５の全体とし
ては上下方向の振動に加えて半径方向への振動を伴うよ
うになる。

【００３１】以上のことから、振動子５はその軸線が捩
じれを伴いながら高速回転していくと同時に上下方向だ
けでなく軸線と直交する半径方向へも振動する。したが
って、軸線の捩じれと上下及び半径方向への振動の合成
により、振動子５の下端面は水平方向にも微小振動しな
がらワークＷの表面に対して微小な波を打つような軌跡
を描きながら高速で移動することになる。そして、超音
波ロータリスピンドル４による上下方向の振動負荷は、
振動子５が水平方向への振動にも負荷を分解してしまう
ので、振動子５自身が持つ上下方向の振動振幅が減衰さ
せられる。

【００３２】図５は振動子５が回転するときの研削砥粒
層６の砥粒６ａによるワークＷへの研削状況を示すため
の説明図である。

【００３３】ワークＷの表面には水等の研削液Ｌが常に
供給され、超音波ロータリスピンドル４の振動子５が収
縮時にあって最も高い位置にあるときには、砥粒６ａは
同図の（ａ）に示すレベルにあり、ワークＷの表面から
離れていて下端部のみが研削液Ｌの中に浸漬されてい
る。そして、この初期位置から振動子５が回転すると同
時にホーン４ｃの下方向への振動によって、同図の
（ｂ）に示すように、砥粒６ａが下に移動してワークＷ
の表面に食い込み始める。このとき、砥粒６ａは下向き
の振動に加えて水平方向への振動も付与されているの
で、食い込み時にはワークＷには砥粒６ａの進行方向に
クラックＣを発生させる。すなわち、砥粒６ａは図にお
いて右方向に高速で移動していくので、同図（ｂ）にお
いて砥粒６ａが左右方向に振動するとき、左側方向への
振動によるワークＷへの負荷は減衰し右側方向への振動
は砥粒６ａの進行方向と一致するので、クラックＣの発
生を促すことになる。

【００３４】ホーン４ｃにより更に砥粒６ａが下降して
ホーン４ｃのストロークが下死点に達したときには、同
図の（ｃ）に示すように砥粒６ａがワークＷの中に深く
食い込み、この食い込み量が切削代となる。この食い込
みの期間においても砥粒６ａは水平方向の振動が付与さ
れているので、クラックＣはより大きくなって現れてく
る。

【００３５】同図（ｃ）の時点を過ぎると、ホーン４ｃ
が収縮方向に移動するのでこれに伴って砥粒６ａは同図
（ｄ）のように上昇し始め、下死点に相当するレベルか
らの砥粒６ａの上昇と振動子５の回転による移動により
ワークＷの表面が切削される。そして、同図（ｅ）のよ
うに砥粒６ａがワークＷの表面とほぼ同じレベルとなっ
たときには切削が停止する。

【００３６】なお、砥粒６ａは砥粒層６に高密度で含ま
れているので、同図（ｅ）のように切削が済んだ部分に
は次の砥粒が達してこの砥粒による研削が継続して行わ
れることは無論である。

【００３７】このように砥粒６ａによるワークＷへの研
削は、砥粒６ａの上下動作と振動子５による送りに加え
て超音波振動の付与による砥粒６ａの微小振動が作用し
て、ワークＷに対してほぼ水平方向のクラックＣを発生
させることができる。したがって、研削効率の向上が可
能となると同時に、縦方向に深くクラックが発生してし
まうこともないので、シリコンウエハー等のワークに対
して最適な研削加工が可能となる。

【００３８】ここで、砥粒層６による研磨においては、
砥粒６ａがワークＷの中に突き刺さるようにしたままで
は切り粉の排出が速やかでなく、このことが研削効率の
低下や研削精度に影響を及ぼすことは広く知られてい
る。

【００３９】これに対し、本発明においては、砥粒６ａ
には微小振動による上下方向の微小変位と同時に振動子
５の水平方向への微小振動による研削方向に対しての正
逆方向の変位が付与される。したがって、振動子５が高
速回転して砥粒６ａもワークＷの表面に対する位置を瞬
時に変えていくと同時、これらの上下方向及び研削方向
への変位が微小時間中に発生するので、研削と同時に発
生するワークＷの切り粉及び砥粒６ａ自身の欠けの排出
が速やかに行われる。このため、研削効率及び研削精度
を高く維持した加工が可能となる。

【００４０】

【発明の効果】請求項１の発明では、振動子の回転と超
音波振動との合成によって、砥粒層をワークに対する研
削面に対して研削方向にクラックを発生させやすくし、
ワークの厚さ方向へのクラック発生を抑えることができ
るので、研削効率及び研削精度の向上が図られる。

【００４１】請求項２の発明では、振動子の固有の形状
によって超音波振動と共振させて高い周波数での振動を
砥粒層に付与することができるので切り粉の排出が促進
されるとともに、振動子が砥粒層を研削面内での水平方
向への振動をより効果的に励起させることで、研削方向
へのクラックの発生を促すことができ、研削精度をより
一層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の超音波平面研削加工装置の一実施例
を示す正面図である。

【図２】 図１に示す超音波平面研削加工装置の右側面
図である。

【図３】 超音波ロータリスピンドルの詳細であって、
（ａ）は拡大左側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視
図である。

【図４】 振動子への超音波振動負荷による変形を示す
概略図であって、（ａ）は振動無負荷のとき、（ｂ）は
振動負荷時の拡大変形及び（ｃ）は収縮変形をそれぞれ
示す。

【図５】 砥粒によるワークの研削状況を順に示す説明
図である。

【符号の説明】

１ 本体 １ａ ベース １ｂ コラム １ｃ スライドガイド ２ 定盤 ２ａ Ｙ軸スライドテーブル ２ｂ ワークテーブル ３ 研削ヘッド ３ａ 回転主軸 ３ｂ モータ ４ 超音波ロータリスピンドル ４ａ ハウジング ４ｂ ブラケット ４ｃ ホーン ５ 振動子 ６ 研削砥粒層 ６ａ 砥粒 Ｃ クラック Ｗ ワーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークテーブル上にセットしたワークと
   の間で垂直及び水平方向に相対変位可能であって且つ垂
   直方向に軸線を持つ回転主軸と、この回転主軸に連接さ
   れて軸線方向に超音波振動を付与する超音波振動負荷機
   構と、回転主軸の下端に連結され超音波振動負荷機構か
   らの超音波振動に共振可能な振動子と、この振動子の下
   面に設けた研削用の砥粒層とからなる超音波平面研削加
   工装置。
2. 【請求項２】 振動子は、上端側が小径で下端側が大径
   のほぼ円錐台状の外郭形状を持ち、その内部を中空とし
   て下端面を開放した断面形状を持つ請求項１記載の超音
   波平面研削加工装置。