(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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手段を構成する回転スピンドルの一端に設けられたホイールマウントに取り付けられるホイール基台と、該ホイール基台に装着された円環状の砥石とからなり加工時に超音波振動を生成する超音波ホイールであって、
前記ホイール基台は、前記ホイールマウントと連結する円環状の連結部と、該連結部を介して前記ホイールマウントに連結される円環状の砥石装着部とからなり、
前記砥石装着部は、前記連結部とは反対面側に装着された前記砥石と、超音波振動を生成する超音波振動子とを有し、かつ、厚み方向の中央に想定した基準ラインを境に当該砥石装着部を前記砥石側と前記連結部側とに二分した場合に、前記砥石側と前記連結部側との超音波振動による変位ベクトルを等しくする重量調整部材を前記連結部側に有することを特徴とする超音波ホイール。
【請求項２】
前記重量調整部材は、前記砥石装着部の外周寄りの位置に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波ホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研削ホイール、カップホイール等の超音波ホイールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと称される分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ，ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って砥粒をボンドで固めた切削ブレードで切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。また、サファイヤ基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハもストリートに沿って切断することにより、個々の発光ダイオード、レーザダイオード等の光デバイスに分割され、電子機器に広く利用される。
【０００３】
このようにして分割されるウエーハは、ストリートに沿って切断する前に研削装置によって裏面が研削され、所定の厚さに加工される。しかるに、研削装置の研削砥石によってウエーハの裏面を研削すると、研削砥石に目詰まりが発生し、研削能力が低下する。特に、サファイヤ，シリコンナイトライド、リチウムタンタレート、アルチック等の脆性硬質材料やＣｕ電極付きウエーハ等の複合材や金属の研削や加工をすると、研削砥石の目詰まりや発熱による研削能力の低下によって生産性が著しく低下するという問題がある。
【０００４】
このような問題を解消するために、被加工物を保持するチャックテーブルと、このチャックテーブルに保持された被加工物を研削する研削砥石を保持する砥石保持部材との少なくとも一方に、研削砥石による被加工物の研削部に超音波振動を付与する超音波印加手段を配設した研削装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−２３２１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されている構造では、特に、メタルボンド等の比較的重いボンドで形成された研削ホイールやカップホイールにおいては、超音波振動子による超音波振動がボンドの影響で減衰したり、不要振動が発生してしまうなど、難削材を円滑に研削や加工できないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波振動子が生成する超音波振動を砥石に対して所望の方向に伝達させて十分な振幅を得ることができる超音波ホイールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波ホイールは、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手段を構成する回転スピンドルの一端に設けられたホイールマウントに取り付けられるホイール基台と、該ホイール基台に装着された円環状の砥石とからなり加工時に超音波振動を生成する超音波ホイールであって、前記ホイール基台は、前記ホイールマウントと連結する円環状の連結部と、該連結部を介して前記ホイールマウントに連結される円環状の砥石装着部とからなり、前記砥石装着部は、前記連結部とは反対面側に装着された前記砥石と、超音波振動を生成する超音波振動子とを有し、かつ、厚み方向の中央に想定した基準ラインを境に当該砥石装着部を前記砥石側と前記連結部側とに二分した場合に、前記砥石側と前記連結部側との超音波振動による変位ベクトルを等しくする重量調整部材を前記連結部側に有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる超音波ホイールは、上記発明において、前記重量調整部材は、前記砥石装着部の外周寄りの位置に配設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる超音波ホイールは、砥石装着部が、厚み方向の中央に想定した基準ラインを境に当該砥石装着部を砥石側と連結部側とに二分した場合に、砥石側と連結部側との超音波振動による変位ベクトルを等しくする重量調整部材を連結部側に有するので、超音波振動を伝達させた場合に砥石側に生ずる変位ベクトル成分を、重量調整部材を有する連結部側に生ずる変位ベクトルで相殺することで、不要振動の発生をなくして、砥石に対して所望の方向に超音波振動を伝達させることができ、よって、砥石を十分な振幅で振動させながら加工を行わせることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態である超音波ホイールについて図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態の超音波ホイールを含む加工装置全体の構成例を示す斜視図であり、図２は、電装制御系を併せて示す加工装置に含まれるスピンドルユニットの縦断側面図である。本実施の形態の加工装置は、研削装置であって装置ハウジング２を具備している。装置ハウジング２は、細長く延在する直方体状の主部２１と、この主部２１の後端部（図１において右上端）に設けられ実質上鉛直に延びる一対の直立壁２２とを有する。直立壁２２の前面には、上下方向に延びる一対の案内レール２２１が設けられている。この一対の案内レール２２１に加工手段３が上下方向に移動可能に装着されている。
【００１３】
加工手段３は、移動基台３１とこの移動基台３１に装着されたスピンドルユニット４を具備している。移動基台３１は、後面両側に上下方向に延びる一対の脚部３１１が設けられ、この一対の脚部３１１に一対の案内レール２２１と摺動可能に係合する被案内溝３１２が形成されている。移動基台３１の前面には前方に突出した支持部３１３が設けられ、この支持部３１３にスピンドルユニット４が取り付けられている。
【００１４】
スピンドルユニット４は、支持部３１３に装着されたスピンドルハウジング４１と、このスピンドルハウジング４１に回転自在に配設された回転スピンドル４２とを具備している。ここで、図２に示すように、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孔４１１を備えている。スピンドルハウジング４１に形成された軸孔４１１に挿通して配設される回転スピンドル４２は、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４２１が設けられている。これにより、回転スピンドル４２は、軸孔４１１の内壁との間に供給される高圧エアーによって回転自在に支持される。回転スピンドル４２は、一端部（図２において下端部）がスピンドルハウジング４１の下端から突出して配設されており、その一端にホイールマウント４３が設けられている。このホイールマウント４３の下面に本実施の形態による超音波ホイール５が取り付けられる。超音波ホイール５については、後述する。
【００１５】
また、加工装置は、スピンドルユニット４を一対の案内レール２２１に沿って上下方向に移動させる加工ユニット送り機構１０を備えている。加工ユニット送り機構１０は、直立壁２２の前側に配設され実質上鉛直に延びる雄ねじロッド１０１を備えている。雄ねじロッド１０１は、その上端部および下端部が直立壁２２に取り付けられた軸受部材１０２，１０３によって回転自在に支持されている。上側の軸受部材１０２には雄ねじロッド１０１を回転駆動するパルスモータ１０４が配設されている。移動基台３１の後面には、その幅方向中央部から後方に延びる貫通雌ねじ孔（図示せず）が形成されており、この貫通雌ねじ孔に雄ねじロッド１０１が螺合している。したがって、パルスモータ１０４が正転すると、移動基台３１、すなわち加工手段３が下降（前進）し、パルスモータ１０４が逆転すると移動基台３１、すなわち加工手段３が上昇（後退）する。
【００１６】
また、ハウジング２の主部２１には、チャックテーブル機構１１が配設されている。チャックテーブル機構１１は、チャックテーブル１２と、このチャックテーブル１２の周囲を覆うカバー部材１３と、カバー部材１３の前後に配設された蛇腹手段１４，１５を具備している。チャックテーブル１２は、回転手段（図示せず）によって回転されるものであり、その上面に被加工物Ｗを吸引手段（図示せず）を作動することにより吸引保持するように構成されている。また、チャックテーブル１２は、チャックテーブル移動手段（図示せず）によって図１に示す被加工物載置域２４とスピンドルユニット４を構成する超音波ホイール５と対向する研削域２５との間で移動される。蛇腹手段１４，１５は、キャンパス布の如き適宜材料から形成されている。蛇腹手段１４の前端は主部２１の前面壁に固定され、後端はカバー部材１３の前端面に固定されている。蛇腹手段１５の前端はカバー部材１３の後端面に固定され、後端は装置ハウジング２の直立壁２２の前面に固定されている。チャックテーブル１２が矢印２３ａで示す方向に移動する際には蛇腹手段１４が伸張し蛇腹手段１５が収縮し、逆に、チャックテーブル１２が矢印２３ｂで示す方向に移動する際には蛇腹手段１４が収縮し蛇腹手段１５が伸張する。
【００１７】
ついで、本実施の形態の超音波ホイール５について、図３〜図５を参照して説明する。図３は、超音波ホイールを示す分解斜視図であり、図４は、連結部の一部の断面図であり、図５は、ホイール基台部分を示す縦断正面図である。本実施の形態の超音波ホイール５は、ホイールマウント４３に取り付けられるホイール基台５１と、このホイール基台５１の下面に円環状をなすように装着される複数の砥石５２とからなる。ホイール基台５１はホイールマウント４３に対応する大きさに形成されてホイールマウント４３と連結するための円環状の連結部５１１と、連結部５１１を介してホイールマウント４３に連結された円環状の砥石装着部５１２とからなる。
【００１８】
連結部５１１の上部側はホイールマウント４３に固定されて拘束側となるもので、ホイールマウント４３に形成された複数個の図示しないボルト挿通孔と対応する複数個のネジ孔５１１ａが形成されている。また、砥石装着部５１２が固着される連結部５１１の下部側は、図４の断面図に示すように、外周面および内周面に複数のスリット状の円環状溝５１１ｂが互い違いに食い込み形成されることで、後述する超音波振動子による砥石装着部５１２の振動を妨げないように半径方向および厚み方向に弾性を有し、上部の拘束部側との間の振動を絶縁する弾性的連結構造として構成されている。
【００１９】
砥石装着部５１２は、中央部に開口５１２ａが形成されて、全体的に円環状に形成されたものであるが、開口５１２ａの大きさは配線を挿通し得るものであればよく、小さめであってもよい。このような砥石装着部５１２の下面側（連結部５１１とは反対面側）の外周寄りの位置には、複数個の砥石５２が周方向に適宜に接着剤によって円環状をなすように装着されている。円環状をなす形状に形成された１個の研削砥石であってもよい。
【００２０】
さらに、砥石装着部５１２において、例えば砥石５２よりも内周側位置であって、超音波ホイール５の中心周りに円環状に配設された砥石５２と同心円をなす上下両面位置には、適宜の接着剤によって装着された複数個の超音波振動子６が円環状をなすように配設されている。円環状をなす形状に形成された１個の超音波振動子であってもよい。これら超音波振動子６は、砥石装着部５１２を介して砥石５２に超音波振動を付与するためのものであり、例えばチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、リチウムタンタレート等の圧電セラミックスによって形成されている。本実施の形態の超音波振動子６としては、例えばＰＺＴ振動子が用いられている。また、超音波振動子６の目的とする振動方向は、砥石装着部５１２の半径方向となるように設定されている。このようにして砥石装着部５１２の上下両面に装着された超音波振動子６の表裏面の＋，−端子には、導電線６１の一端がそれぞれ接続されている。なお、下面側の超音波振動子６の＋，−端子に対しては開口５１２ａを通して導電線６１が接続されている。また、導電線６１の他端は、図示しない凸型コネクタに接続されている。この凸型コネクタは、後述する電力供給手段に着脱可能に接続される。
【００２１】
また、砥石装着部５１２の連結部５１１側において、例えば砥石５２の位置に相当する外周寄りの位置には、円環状の重量調整部材５１３が固定されている。これにより、砥石装着部５１２は、重量調整部材５１３を介して連結部５１１に連結されている。ここで、重量調整部材５１３は、図５に示すように、砥石装着部５１２の厚み方向の中央に想定した基準ラインＬを境に砥石装着部５１２を砥石側部分Ａと連結部側部分Ｂとに二分した場合に、砥石側部分Ａと連結部側部分Ｂとの超音波振動による変位ベクトルδ１，δ２を等しくするためのものである。
【００２２】
ここで、重量調整部材５１３が満たすべき条件について説明する。まず、基準ラインＬに対して砥石側部分Ａ（砥石５２を含む）の体積、密度、重さ、弾性率をそれぞれＶ１，ρ１，ｍ１，Ｅ１とし、振幅減衰率をξ１、共振時の角速度をω１、振動印加力をＦ１とすると、変位ベクトルδ１は、運動方程式に従い、
δ１＝Ｆ１／（Ｖ１・ρ１・ｍ１２＋２・ｍ１・ξ１・ω１＋Ｅ１）
で示される。同様に、基準ラインＬに対して連結部側部分Ａ（重量調整部材５１３までを含む）の体積、密度、重さ、弾性率をそれぞれＶ２，ρ２，ｍ２，Ｅ２とし、振幅減衰率をξ２、共振時の角速度をω２、振動印加力をＦ２とすると、変位ベクトルδ２は、運動方程式に従い、
δ２＝Ｆ２／（Ｖ２・ρ２・ｍ２２＋２・ｍ２・ξ２・ω２＋Ｅ２）
で示される。
【００２３】
よって、δ１＝δ２となるためには、重量調整部材５１３は、
Ｆ１／（Ｖ１・ρ１・ｍ１２＋２・ｍ１・ξ１・ω１＋Ｅ１）
＝Ｆ２／（Ｖ２・ρ２・ｍ２２＋２・ｍ２・ξ２・ω２＋Ｅ２）
を満たす体積、密度、重さ、弾性率からなる材料で形成されていればよい。この条件を満たすためには、本実施の形態のように、重量調整部材５１３を砥石装着部５１２においてできるだけ外周寄りの位置に設けるのが有利であるが、上記条件を満たせば、特に、外周寄りの位置に限らず、連結部側部分Ｂの適宜位置に設けてもよい。
【００２４】
このように構成された超音波ホイール５は、ホイールマウント４３に形成されたボルト挿通孔によってそれぞれ挿通された締結ボルト５５をネジ孔５１１ａにそれぞれ螺着することによって、マウントホイール４３に着脱可能に装着される。
【００２５】
図２に戻って説明を続けると、スピンドルユニット４は、回転スピンドル４２を回転駆動するための電動モータ７を備えている。この電動モータ７は、例えば永久磁石式モータによるもので、回転スピンドル４２の中間部に形成されたモータ装着部４２２に装着された永久磁石からなるロータ７１と、このロータ７１の外周側においてスピンドルハウジング４１に配設されたステータコイル７２とからなる。この電動モータ７は、ステータコイル７２に後述する電力供給手段によって交流電力を供給することによりロータ７１が回転し、このロータ７１を装着した回転スピンドル４２を回転させる。
【００２６】
また、スピンドルユニット４は、超音波振動子６に交流電力を供給するとともに電動モータ７に交流電力を供給する電力供給手段８を具備している。電力供給手段８は、スピンドルユニット４の後端部に配設されたロータリトランス８０を具備している。ロータリトランス８０は、回転スピンドル４２の後端に配設された受電手段８１と、この受電手段８１に対向して配設されスピンドルハウジング４１の後端部に配設された給電手段８２とを具備している。受電手段８１は、回転スピンドル４２に装着されたロータ側コア８１１と、このロータ側コア８１１に巻回された受電コイル８１２とからなる。受電コイル８１２には、導電線８１３が接続されている。この導電線８１３は、回転スピンドル４２の中心部に軸方向に形成された孔４２３内に配設され、その先端が図示しない凸型コネクタと嵌合する図示しない凹型コネクタに接続されている。また、給電手段８２は、受電手段８１の外周側に配設されたステータ側コア８２１と、このステータ側コア８２１に配設された給電コイル８２２とからなる。給電コイル８２２は、配線８３を介して交流電力が供給される。
【００２７】
また、電力供給手段８は、ロータリトランス８０の給電コイル８２２に供給する交流電力の交流電源９１と、電圧調整手段９２と、給電手段８２に供給する交流電力の周波数を調整する周波数調整手段９３と、電圧調整手段９２および周波数調整手段９３を制御する制御手段９４と、この制御手段９４に複数の砥石５２に付与する超音波振動子６の超音波振動の振幅等を入力する入力手段９５を具備している。なお、電力供給手段８は、制御回路９６および配線７２１を介して電動モータ７のステータコイル７２に交流電力を供給する。
【００２８】
ここで、スピンドルユニット４の作用について説明する。加工作業（研削作業）を行う際には、電力供給手段８から電動モータ７のステータコイル７２に交流電力が供給される。この結果、電動モータ７が回転して回転スピンドル４２が回転し、回転スピンドル４２の先端に取り付けられた超音波ホイール５が回転する。
【００２９】
一方、電力供給手段８は、制御手段９４によって電圧調整手段９２および周波数調整手段９３を制御し、交流電力の電圧を所定電圧に制御するとともに、交流電力の周波数を所定周波数に変換して、ロータリトランス８０を構成する給電手段８２の給電コイル８２２に供給する。所定周波数、所定電圧の交流電力が給電コイル８２２に供給されると、回転する受電手段８１の受電コイル８１２、導電線８１３、凹型コネクタ、凸型コネクタ、導電線６１を介して円環状の超音波振動子６に所定電圧、所定周波数の交流電力が印加される。この結果、超音波振動子６は半径方向に超音波振動する。超音波振動子６が発生した超音波振動は、砥石装着部５１２を介して複数の砥石５２に伝達される。
【００３０】
次に、本実施の形態の加工装置の作用について説明する。まず、図１に示すように研削装置の被加工物載置域２４に位置付けられたチャックテーブル１２上に半導体ウエーハ等の研削対象となる被加工物Ｗを載置する。なお、被加工物Ｗが半導体ウエーハの場合、デバイスが形成された表面には保護テープＴが貼着されており、この保護テープＴ側をチャックテーブル１２に載置する。チャックテーブル１２に載置された被加工物Ｗは、図示しない吸引手段によってチャックテーブル１２上に吸引保持される。そして、図示しないチャックテーブル移動手段を作動してチャックテーブル１２を矢印２３ａで示す方向に移動し、研削域２５に位置付ける。そして、超音波ホイール５における砥石５２の外周縁がチャックテーブル１２の回転中心（すなわち、被加工物Ｗの中心）を通過するように位置付ける。
【００３１】
このような位置関係に位置付けた後、チャックテーブル１２を例えば３００ｒｐｍの回転速度で回転させるとともに、超音波ホイール５を同一方向に例えば６０００ｒｐｍの回転速度で回転させる。すなわち、電力供給手段８からステータコイル７２に交流電力を供給することにより、電動モータ７が回転して回転スピンドル４２が回転し、回転スピンドル４２の先端に取り付けられた回転ホイール５が回転する。そして、超音波ホイール５を下降させて砥石５２を被加工物Ｗの上面である裏面（被加工面）に所定の圧力で押圧する。この結果、被加工物Ｗの被加工面は全面に亘って研削される。このとき、複数の砥石５２による加工部には加工液が供給される。
【００３２】
このような加工時には、電力供給手段８によってロータリトランス８０を構成する給電手段８２の給電コイル８２２に所定電圧、所定周波数の交流電力を供給する。この結果、回転する受電手段８１の受電コイル８１２、導電線８１３、凹型コネクタ、凸型コネクタ、導電線６１を介して超音波振動子６に所定電圧、所定周波数の交流電力が印加される。これにより、超音波振動子６は、半径方向に繰り返し変位して超音波振動する。この超音波振動は、砥石装着部５１２を介して複数の砥石５２に伝達され、複数の砥石５２が半径方向に超音波振動する。
【００３３】
この際、重量調整部材５１３がないとすると、超音波振動子６が発生した超音波振動は、所望の振動方向である砥石装着部５１２の半径方向（水平方向）の成分だけでなく、基準ラインＬに対して砥石側部分Ａに片寄った砥石５２の重みによる下向きの変位ベクトルδ１成分による不要な振動も生ずる。このため、全体的には、仮想線による両矢印で示すような不要な振動を含む振動状態となり、場合によって、振動が減衰してしまうものである。これにより、超音波振動を付与しても砥石５２を所望の半径方向に十分な振幅をもって振動させることができず、難削材を円滑に研削できなくなってしまう。超音波ホイール５が大口径化するほど、砥石５２の重みによる変位ベクトルδ１成分が大きくなるため、顕著となる。
【００３４】
ここで、本実施の形態では、砥石装着部５１２において、連結部側部分Ｂに重量調整部材５１３を付加することで、超音波振動を発生させた場合に基準ラインＬに対して連結部側部分Ｂにも重量調整部材５１３の重みによる上向きの変位ベクトルδ２成分を生じさせ、この変位ベクトルδ２が砥石側部分Ａの変位ベクトルδ１と等しくなるようにしている。これにより、上下方向に生ずる変位ベクトルδ１，δ２成分同士が相殺され、不要振動の発生がなくなる。よって、超音波振動子６を駆動させた場合、砥石５２に対して図５中に実線の両矢印で示す基準ラインＬに沿う所望の半径方向に超音波振動を伝達させ、砥石５２を十分な振幅で振動させることができ、難削材を円滑に研削することができる。
【００３５】
また、このような研削動作において、超音波ホイール５の砥石装着部５１２（重量調整部材５１３）とホイールマウント４３とは、弾性的連結構造を有する連結部５１１を介して連結されており、砥石装着部５１２の半径方向の振動に円環状溝５１１ｂが形成された連結部５１１の下部側が追従して半径方向に弾性的に変位するので、超音波振動を妨げることはない。同時に、連結部５１１の上部側はホイールマウント４３に固定されて拘束部となるように構成されているので、超音波振動がホイールマウント４３側には伝達されないように絶縁される。
【００３６】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。例えば、本実施の形態の超音波ホイールは、研削ホイールへの適用例を示すが、研削ホイールに限らず、ダイアモンドホイール等と称されるカップホイールの場合であっても同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態の超音波ホイールを含む研削装置全体の構成例を示す斜視図である。
【図２】電装制御系を併せて示す加工装置に含まれるスピンドルユニットの縦断側面図である。
【図３】超音波ホイールを示す分解斜視図である。
【図４】連結部の一部の断面図である。
【図５】ホイール基台部分を示す縦断正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
３  加工手段
５  超音波ホイール
６  超音波振動子
１２  チャックテーブル
４２  回転スピンドル
４３  ホイールマウント
５１  ホイール基台
５２  砥石
５１１  連結部
５１２  砥石装着部
５１３  重量調整部材
Ａ  砥石側部分
Ｂ  連結部側部分
Ｌ  基準ライン
Ｗ  被加工物
【図１】
0005096120.tif 000002
【図２】
0005096120.tif 000003
【図３】
0005096120.tif 000004
【図４】
0005096120.tif 000005
【図５】
0005096120.tif 000006