(57)【要約】【課題】工具を装着する回転スピンドルの支持剛性を確保し、回転スピンドルの回転振れを抑制することができるエアーベアリング方式によるスピンドルユニットを提供する。【解決手段】スピンドルハウジングと、該スピンドルハウジング内を挿通して配設され前端部に工具装着部を備えた回転スピンドルとを具備するスピンドルユニットであって、回転スピンドルは中央部に径方向に突出して形成されたスラスト軸受フランジを備え、工具装着部がスピンドルハウジングの前端から突出して配設されており、スピンドルハウジングは中央部に設けられ該スラスト軸受フランジを支持するスラストエアーベアリングと、該スラストエアーベアリングの前側および後側に設けられ回転スピンドルを支持する第１のラジアルエアーベアリングおよび第２のラジアルエアーベアリングを備えている。【選択図】　　　　図２
2004025667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルハウジングと、該スピンドルハウジング内を挿通して配設され前端部に工具装着部を備えた回転スピンドルと、を具備するスピンドルユニットにおいて、
該回転スピンドルは、中央部に径方向に突出して形成されたスラスト軸受フランジを備え、該工具装着部が該スピンドルハウジングの前端から突出して配設されており、
該スピンドルハウジングは、中央部に設けられ該スラスト軸受フランジを支持するスラストエアーベアリングと、該スラストエアーベアリングの前側および後側に設けられ該回転スピンドルを支持する第１のラジアルエアーベアリングおよび第２のラジアルエアーベアリングを備えている、
ことを特徴とするスピンドルユニット。
【請求項２】
該第１のラジアルエアーベアリングは該スピンドルハウジングの前端部に設けられ、該第２のラジアルエアーベアリングは該スピンドルハウジングの後端部に設けられている、請求項１記載のスピンドルユニット。
【請求項３】
該回転スピンドルは後端部が該スピンドルハウジングの後端から突出して形成されたモーター装着部を備えており、該モーター装着部に電動モーターが装着されている、請求項１又は２記載のスピンドルユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削ブレード等の回転工具を装着するためのスピンドルユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体ウエーハ、セラミックス、サファイヤ等の硬質材料を所定の形状に高精度に切削するには、一般にスピンドルユニットに装着され高速回転せしめられる切削ブレードを装備した切削装置が用いられる。スピンドルユニットはスピンドルハウジングと、該スピンドルハウジング内を挿通して配設され前端部に該切削ブレードを装着するための工具装着部を備えた回転スピンドルとからなっており、回転スピンドルはスピンドルハウジングに回転可能に支持されている。
【０００３】
スピンドルハウジングに回転スピンドルを回転可能に支持する支持方式としては、一般にエアーベアリング方式が用いられている。エアーベアリング方式によるスピンドルユニットについて、図３を参照して説明する。スピンドルユニット１００は、軸方向に貫通する軸穴１１１を備えたスピンドルハウジング１１０と、該スピンドルハウジング１１０の軸穴１１１を挿通して配設され前端部に工具装着部１２１を備えた回転スピンドル１２０とからなっており、工具装着部１２１がスピンドルハウジング１１０の前端から突出して配設されている。そして、回転スピンドル１２０の工具装着部１２１に切削ブレード１３０が装着され、回転スピンドル１２０の後端部に電動モータ１４０が配設されている。このようにスピンドルハウジング１１０の軸穴を挿通して配設された回転スピンドル１２０は、スピンドルハウジング１１０の内周面に設けられたスラスト軸受フランジ１２２を支持するスラストエアーベアリング１５０と、該スラストエアーベアリング１５０の後方（図３において右方）に設けられた２個のラジアルエアーベアリング１６０および１７０によって支持されている。ラジアルエアーベアリング１６０および１７０と回転スピンドル１２０の被軸受部１２３および１２４との間には１０μｍ前後の隙間が形成されており、この隙間に高圧エアーを供給することにより、非接触状態で回転スピンドル１２を支持している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上記従来のスピンドルユニット１００は、回転スピンドル１２０がスラストエアーベアリング１５０の後方でラジアルエアーベアリング１６０および１７０によって支持されているので、ラジアルエアーベアリング１６０から工具装着部１２１に装着された切削ブレード１３０までの長さ（Ｓ）を短くするには限界があり、切削ブレード１３０が被加工物を切り込む際の支持剛性を高くすることができず、この支持剛性は０．３５ｋｇｆ／μｍ程度となる。この結果、回転スピンドル１２０の工具装着部１２１に装着された切削ブレード１３０には６０，０００ＲＰＭ時に１．６μｍ程度の回転振れが発生する。このように回転振れが生ずる切削ブレード１３０によって半導体ウエーハのような脆性材料を切削すると、切削溝の両側に欠けが発生し、半導体チップの品質を低下させるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、工具を装着する回転スピンドルの支持剛性を確保し、回転スピンドルの回転振れを抑制することができるエアーベアリング方式によるスピンドルユニットを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、スピンドルハウジングと、該スピンドルハウジング内を挿通して配設され前端部に工具装着部を備えた回転スピンドルと、を具備するスピンドルユニットにおいて、
該回転スピンドルは、中央部に径方向に突出して形成されたスラスト軸受フランジを備え、該工具装着部が該スピンドルハウジングの前端から突出して配設されており、
該スピンドルハウジングは、中央部に設けられ該スラスト軸受フランジを支持するスラストエアーベアリングと、該スラストエアーベアリングの前側および後側に設けられ該回転スピンドルを支持する第１のラジアルエアーベアリングおよび第２のラジアルエアーベアリングを備えている、
ことを特徴とするスピンドルユニットが提供される。
【０００７】
上記第１のラジアルエアーベアリングは上記スピンドルハウジングの前端部に設けられ、上記第２のラジアルエアーベアリングは上記スピンドルハウジングの後端部に設けられていることが望ましい。
【０００８】
上記回転スピンドルは後端部が上記スピンドルハウジングの後端から突出して形成されたモーター装着部を備えており、該モーター装着部に電動モーターが装着されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従って構成されたスピンドルユニットの好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１には、本発明に従って構成されたスピンドルユニットを備えた切削装置の斜視図が示されている。
図示の実施形態における切削装置は、略直方体状の装置ハウジング２を具備している。この装置ハウジング２内には、被加工物を保持するチャックテーブル３が切削送り方向である矢印Ｘで示す方向に移動可能に配設されている。チャックテーブル３は、吸着チャック支持台３１と、該吸着チャック支持台３１上に装着された吸着チャック３２を具備しており、該吸着チャック３２の表面である載置面上に被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。また、チャックテーブル３は、図示しない回転機構によって回動可能に構成されている。
【００１１】
図示の実施形態における切削装置は、切削手段としてのスピンドルユニット４を具備している。スピンドルユニット４は、図示しない移動基台に装着され割り出し方向である矢印Ｙで示す方向および切り込み方向である矢印Ｚで示す方向に移動調整されるスピンドルハウジング４１と、該スピンドルハウジング４１に回転自在に支持された回転スピンドル４２と、該回転スピンドル４２の前端部に装着された回転工具である切削ブレード４６とを具備している。なお、スピンドルユニット４の構成については、後で詳細に説明する。
【００１２】
図示の実施形態における切削装置は、上記チャックテーブル３を構成する吸着チャック３２上に保持された被加工物の表面を撮像し、上記切削ブレード４６によって切削すべき領域を検出したり、切削溝の状態を確認したりするための撮像機構６を具備している。この撮像機構６は顕微鏡やＣＣＤカメラ等の光学手段からなっている。また、切削装置は、撮像機構６によって撮像された画像を表示する表示手段７を具備している。
【００１３】
図示の実施形態における切削装置は、被加工物としての半導体ウエーハ１１をストックするカセット１４を具備している。半導体ウエーハ１１は、ステンレス鋼等の金属材によって形成された環状の支持フレーム１２にテープ１３によって支持されており、支持フレーム１２に支持された状態で上記カセット１４に収容される。なお、カセット１４は、図示しない昇降手段によって上下に移動可能に配設されたカセットテーブル１４１上に載置される。
【００１４】
図示の実施形態における切削装置は、カセット１４に収容された被加工物としての半導体ウエーハ１１（支持フレーム１２にテープ１３によって支持された状態）を被加工物載置領域１５に搬出する被加工物搬出手段１６と、該被加工物搬出手段１６によって搬出された半導体ウエーハ１１を上記チャックテーブル３上に搬送する被加工物搬送手段１７と、チャックテーブル３で切削加工された半導体ウエーハ１１を洗浄する洗浄手段１８と、チャックテーブル３で切削加工された半導体ウエーハ１１を洗浄手段１８へ搬送する洗浄搬送手段１９を具備している。
【００１５】
次に、上述した切削装置の加工処理動作について簡単に説明する。
カセット１４の所定位置に収容された支持フレーム１２にテープ１３を介して支持された状態の半導体ウエーハ１１（以下、支持フレーム１２にテープ１３によって支持された状態の半導体ウエーハ１１を単に半導体ウエーハ１１という）は、図示しない昇降手段によってカセットテーブル１４１が上下動することにより搬出位置に位置付けられる。次に、被加工物搬出手段１６が進退作動して搬出位置に位置付けられた半導体ウエーハ１１を被加工物載置領域１５に搬出する。被加工物載置領域１５に搬出された半導体ウエーハ１１は、被加工物搬送手段１７の旋回動作によって上記チャックテーブル３を構成する吸着チャック３２の載置面に搬送され、図示しない吸引手段の吸引作用によって吸着チャック３２に吸引保持される。このようにして半導体ウエーハ１１を吸引保持したチャックテーブル３は、撮像機構６の直下まで移動せしめられる。チャックテーブル３が撮像機構６の直下に位置付けられると、撮像機構６によって半導体ウエーハ１１に形成されている切断ライン（ストリート）が検出され、スピンドルユニット４を割り出し方向である矢印Ｙ方向に移動調節して切断ラインと切削ブレード４６との精密位置合わせ作業が行われる。
【００１６】
その後、切削ブレード４６を矢印Ｚで示す方向に所定量切り込み送りし所定の方向に回転させつつ、半導体ウエーハ１１を吸引保持したチャックテーブル３を切削送り方向である矢印Ｘで示す方向（切削ブレード４３の回転軸と直交する方向）に所定の切削送り速度で移動することにより、チャックテーブル３に保持された半導体ウエーハ１１は切削ブレード４６により所定の切断ラインに沿って切断される。このように半導体ウエーハ１１を切断ラインに沿って切断すると、半導体ウエーハ１１は個々の半導体チップに分割される。分割された半導体チップは、テープ１３の作用によってバラバラにはならず、フレーム１２に支持された半導体ウエーハ１１の状態が維持されている。このようにして半導体ウエーハ１１の切断が終了した後、半導体ウエーハ１１を保持したチャックテーブル３は、最初に半導体ウエーハ１１を吸引保持した位置に戻され、ここで図示しない吸引手段の吸引作用が断たれ、半導体ウエーハ１１の吸引保持を解除する。次に、半導体ウエーハ１１は、洗浄搬送手段１９によって洗浄手段１８に搬送され、ここで洗浄および乾燥される。このようにして洗浄および乾燥された半導体ウエーハ１１は、被加工物搬送手段１７によって被加工物載置領域１５に搬出される。そして、半導体ウエーハ１１は、被加工物搬出手段１６によってカセット１４の所定位置に収納される。
【００１７】
上述した切削ブレード４６により半導体ウエーハ１１の切削においては、回転スピンドル４２に装着された切削ブレード４６に回転振れが発生すると、上述したように切削溝の両側に欠けが発生し、半導体チップの品質を低下させるという問題がある。特に、回転スピンドル４２をエアーベアリングによって支持するスピンドルユニットにおいては、上述したようにスラスト軸受とラジアル軸受の配置の関係で支持剛性を高くすることが難しく、高速回転になると回転スピンドルの回転振れが大きくなる。しかるに、図示の実施形態におけるスピンドルユニット４は、回転スピンドル４２の支持剛性を確保し、回転触れを抑えることができるように構成されている。以下、スピンドルユニット４について、図２を参照して説明する。
【００１８】
図２に示す上記スピンドルユニット４は、スピンドルハウジング４１と、該スピンドルハウジング４１内に回転可能に配設された回転スピンドル４２とを具備している。スピンドルハウジング４１は略円筒状に形成され、軸方向に貫通する軸穴４１１および後述するエアーベアリングに高圧エアーを供給するエアー供給通路４１２を備えている。なお、エアー供給通路４１２は、図示しない高圧エアー制御回路に接続されている。
【００１９】
上記スピンドルハウジング４１に形成された軸穴４１１に挿通して配設される回転スピンドル４２は、その前端部に工具装着部４２１を備え、その中央部には径方向に突出して形成されたスラスト軸受フランジ４２２が設けられており、その後端部にモーター装着部４２３を備えている。このように構成された回転スピンドル４２は、工具装着部４２１がスピンドルハウジング４１の前端（図２において左端）から突出し、モーター装着部４２３がスピンドルハウジング４１の後端（図２において右端）から突出して配設されている。
【００２０】
回転スピンドル４２は、スピンドルハウジング４１に設けられたスラストエアーベアリング４３と第１のラジアルエアーベアリング４４および第２のラジアルエアーベアリング４５によって支持されている。スラストエアーベアリング４３は、スピンドルハウジング４１の中央部の内周面に設けられ上記スラスト軸受フランジ４２２を嵌合する環状の嵌合溝４３１と、該嵌合溝４３１と上記エアー供給通路４１２に連通するエアー通路４３２とからなっている。このように構成されたスラストエアーベアリング４３は、エアー供給通路４１２からエアー通路４３２を介して嵌合溝４３１に高圧エアーを供給することにより、スラスト軸受フランジ４２２の両側面と嵌合溝４３１の側壁との間に高圧エアーを介在させて、回転スピンドル４２の軸方向への移動を規制する。
【００２１】
第１のラジアルエアーベアリング４４は、上記スラストエアーベアリング４３の前側（図２において左側）に設けられている。この第１のラジアルエアーベアリング４４は、スピンドルハウジング４１の前端部の内周面に形成された筒状の嵌合溝４４１と、該嵌合溝４４１に圧入嵌合された円筒状のエアーベアリング部材４４２と、嵌合溝４４１と上記エアー供給通路４１２に連通するエアー通路４４３とからなっている。エアーベアリング部材４４２は、その外周面に軸方向に延びるエアー通路４４２ａを備えているとともに、該エアー通路４４２ａと連通する複数の環状のエアー通路４４２ｂを備えている。また、エアーベアリング部材４４２には、環状のエアー通路４４２ｂと連通し内周面に達する複数の径方向のエアー通路４４２ｃが設けられている。なお、エアーベアリング部材４４２の内周面と回転スピンドル４２の被軸受部４２４の外周面との間には、１０μｍ前後の隙間が形成されている。このように構成された第１のラジアルエアーベアリング４４は、エアー供給通路４１２からエアー通路４４２ａ、４４２ｂ、４４２ｃを介してエアーベアリング部材４４２の内周面と回転スピンドル４２の被軸受部４２４の外周面との間に高圧エアーを供給することにより、回転スピンドル４２の被軸受部４２４を高圧エアーによって支持する。
【００２２】
第２のラジアルエアーベアリング４５は、上記スラストエアーベアリング４３の後側（図２において右側）に設けられている。この第２のラジアルエアーベアリング４５は、上記第１のラジアルエアーベアリング４４と実質的に同一の構成である。即ち、第２のラジアルエアーベアリング４５は、スピンドルハウジング４１の後端部の内周面に形成された筒状の嵌合溝４５１と、該嵌合溝４５１に圧入嵌合された円筒状のエアーベアリング部材４５２と、嵌合溝４５１と上記エアー供給通路４１２に連通するエアー通路４５３とからなっている。エアーベアリング部材４５２は、その外周面に軸方向に延びるエアー通路４５２ａを備えているとともに、該エアー通路４５２ａと連通する複数の環状のエアー通路４５２ｂを備えている。また、エアーベアリング部材４５２には、環状のエアー通路４５２ｂと連通し内周面に達する複数の径方向のエアー通路４５２ｃが設けられている。なお、エアーベアリング部材４５２の内周面と回転スピンドル４２の被軸受部４２５の外周面との間には、１０μｍ前後の隙間を備えている。このように構成された第２のラジアルエアーベアリング４５は、エアー供給通路４１２からエアー通路４５２ａ、４５２ｂ、４５２ｃを介してエアーベアリング部材４５２の内周面と回転スピンドル４２の被軸受部４２５の外周面との間に高圧エアーを供給することにより、回転スピンドル４２の被軸受部４２５を高圧エアーによって支持する。
【００２３】
上述した回転スピンドル４２の前端部に設けられた工具装着部４２１には、切削ブレード４６が取り付けられる。以下、切削ブレード４６の取付け構造について説明する。
回転スピンドル４２の前端部（図２において左端部）に設けられた工具装着部４２１は、テーパー状に形成されている。この工具装着部４２１に切削ブレード４６を装着するには、先ず、テーパー状に形成された工具装着部４２１に固定フランジ４７の中心部に設けられたテーパー状の嵌合穴を嵌合し、締め付けナット４８を工具装着部４２１の前端部に形成されたねじ部４２１ａに螺合することによって、固定フランジ４７を工具装着部４２１に取り付ける。次に、固定フランジ４７の工具嵌合部４７１に切削ブレード４６のハブ４６１を嵌合した後、挟持フランジ４９を工具嵌合部４７１の前端部に形成されたねじ部４７１ａに螺合することによって、固定フランジ４７のフランジ４７２と挟持フランジ４９との間に切削ブレード４６のハブ４６１を挟持固定する。このようにして工具装着部４２１に装着された切削ブレード４６は、回転スピンドル４２とともに回転せしめられる。
【００２４】
次に、上述した回転スピンドル４２の後端部に設けられたモーター装着部４２３に配設された原動機としての電動モータ５０について説明する。
図示の電動モータ５０は、永久磁石式モータによって構成されている。永久磁石式モータの電動モータ５０は、回転スピンドル４２の後端部に形成されたモータ装着部４２３に装着された永久磁石からなるロータ５１と、該ロータ５１の外周側に配設されたステータ５２とからなっている。ステータ５２は、円筒状のケース５２１と該ケース５２１の内周に沿って配設されたボビン５２２および該ボビン５２２に捲回されたステータコイル５２３とからなっている。このように構成された電動モータ５０は、ケース５２１をスピンドルハウジング４１の後端（図２において右端）に装着された補助ハウジング４１０に嵌合して装着されている。なお、補助ハウジング４１０には上記スピンドルハウジング４１に設けられたエアー供給通路４１２と連通するエアー供給通路４１０ａが形成されており、このエアー供給通路４１０ａ図示しない高圧エアー制御回路に接続されている。以上のように構成された電動モータ５０は、ステータ５２のステータコイル５２３に電圧を印加することによりロータ５１が回転し、該ロータ５１を装着した回転スピンドル４２を回転せしめる。
【００２５】
図示の実施形態におけるスピンドルユニット４は以上のように構成されており、スピンドルハウジング４１に配設された回転スピンドル４２は、スピンドルハウジング４１の中央部に設けられたスラストエアーベアリング４３とスピンドルハウジング４１の前端部に設けられた第１のラジアルエアーベアリング４４およびスピンドルハウジング４１の後端部に設けられた第２のラジアルエアーベアリング４５によって支持されている。従って、第１のラジアルエアーベアリング４４を回転スピンドル４２の前端部に設けられた工具装着部４２１に近接して配置することができる。この結果、回転スピンドル４２の工具装着部４２１に装着された切削ブレード４６と第１のラジアルエアーベアリング４４との距離（Ｓ２）を短くすることができるので、切削ブレード４６が被加工物を切り込む際の回転スピンドル４２の支持剛性を高めることができる。また、第１のラジアルエアーベアリング４４と第２のラジアルエアーベアリング４５をスラストエアーベアリング４３の両側に配置するので、ラジアルエアーベアリングの間隔Ｓ３を前端部にスラストエアーベアリングを配設した従来のものに比して十分に長くとることが可能となるため、回転スピンドル４２の支持剛性を高めることができる。この結果、回転スピンドル４２の支持剛性を０．８２ｋｇｆ／μｍ程度まで高めることができ、回転スピンドル４２の工具装着部４２１に装着された切削ブレード４６の回転振れを６０，０００ＲＰＭ時に０．５μｍ程度に抑えることができた。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によるスピンドルユニットは以上のように構成されており、スピンドルハウジングに配設された回転スピンドルはスピンドルハウジングの中央部に設けられたスラストエアーベアリングとスピンドルハウジングの前側に設けられた第１のラジアルエアーベアリングおよびスピンドルハウジングの後側に設けられた第２のラジアルエアーベアリングによって支持されているので、回転スピンドルの工具装着部と第１のラジアルエアーベアリングとの距離を短くすることができるため、回転スピンドルの支持剛性を高めることができる。従って、回転スピンドルの回転振れを小さく抑えることができ、この回転スピンドルに回転工具としての切削ブレードを装着して半導体ウエーハのような脆性材料を切削しても、回転振れによって生ずる欠け発生が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成されたスピンドルユニットを装備した切削装置の斜視図。
【図２】本発明に従って構成されたスピンドルユニットの断面図。
【図３】従来用いられているスピンドルユニットの断面図。
【符号の説明】
２：装置ハウジング
３：チャックテーブル
４：スピンドルユニット
４１：スピンドルハウジング
４２：回転スピンドル
４２１：工具装着部
４２２：スラスト軸受フランジ
４２３：モーター装着部
４３：スラストエアーベアリング
４４：第１のラジアルエアーベアリング
４５：第２のラジアルエアーベアリング
４６：切削ブレード
４７：固定フランジ
４８：締め付けナット
４９：挟持フランジ
５０：電動モータ（永久磁石式モータ式モータ）
６：撮像機構
７：表示手段
１１：半導体ウエーハ
１２：支持フレーム
１３：テープ
１４：カセット
１６：被加工物搬出手段
１７：被加工物搬送手段
１８：洗浄手段
１９：洗浄搬送手段
【図１】
2004025667.tif 000003
【図２】
2004025667.tif 000004
【図３】
2004025667.tif 000005