JP2023173585A - スピンドルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】加工時にスピンドルに振動が発生することを抑制する。【解決手段】圧力調整部１１４により、ラジアルエアベアリングを形成するために供給するエア圧力を、スラストエアベアリングを形成するために供給するエア圧力よりも低くする。すなわち、圧力調整部１１４により、研削砥石２３によってウェーハを研削加工しているときに、ラジアル側エア噴出口３２に供給されるエアの流量を減らすことにより、ラジアル隙間３００におけるエアの圧力を、スラスト隙間３０１におけるエアの圧力よりも低くする。これにより、スピンドル１０および研削砥石２３がラジアル方向にスライドすることが可能となる。その結果、スピンドル１０の受ける衝撃を緩和することができるので、スピンドル１０に振動が生じにくくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、スピンドルユニットに関する。

特許文献１に開示のように、チャックテーブルに保持されたウェーハを砥石で研削する研削装置は、環状基台に砥石を環状に配置した研削ホイールをスピンドルの先端に装着し、スピンドルを回転させることによって、回転する砥石でウェーハを研削している。

スピンドルを回転させるスピンドルユニットは、特許文献１に開示のように、スピンドルを囲繞するケーシングを備え、スピンドルとケーシングとの隙間に高圧エアを満たしてスラストエアベアリングとラジアルエアベアリングとを形成し、スピンドルを回転可能に支持している。

近年、ウェーハを研削する研削時間を短縮させることなどのために、砥石からウェーハにかかる荷重を大きくしている。また、研削の際には、ウェーハの半径部分に、環状の砥石の一部分を接触させている。そのため、荷重が大きくなることで、スピンドルが傾きやすくなる。そこで、荷重を大きくしてもスピンドルが傾かないように、スラストエアベアリングおよびラジアルエアベアリングを形成している隙間を狭くしている。

特開２０１７－２２２００３号公報 特開２０１３－２２６６２５号公報

しかし、狭い隙間で形成したスラストエアベアリングおよびラジアルエアベアリングによって回転可能に支持されたスピンドルは、砥石がウェーハに接触するときや、砥石から砥粒が脱落するときなどに、僅かな衝撃が伝わることによって、振動することがある。そして、この振動は、エアベアリングによって共振されるため、消えにくい。また、振動は、定量的に砥粒が脱落し続けることで消えにくい。

そのため、特許文献２に開示の研削方法では、ウェーハから離間する方向に砥石を移動させている。しかし、この研削方法を用いると、砥粒の脱落する量を少なくすることによって振動を消すことができるが、研削時間を長くしてしまう。

したがって、本発明の目的は、ウェーハを研削する砥石などの加工具を先端に装着するスピンドルを回転可能に支持するスピンドルユニットおいて、加工時に振動が発生することを抑制することにある。

本発明のスピンドルユニット（本スピンドルユニット）は、被加工物を加工する加工具を先端に装着するスピンドルをケーシングで囲繞して、該スピンドルの外面と該ケーシングの内面との隙間でスラストエアベアリングとラジアルエアベアリングとを形成して、該スピンドルを回転可能に支持するスピンドルユニットであって、被加工物を加工しているときに、該スピンドルの回転軸の方向に直交する方向へのスライドを可能にするスライド機構を備える。
本スピンドルユニットでは、該スライド機構は、該ラジアルエアベアリングを形成するために供給するエア圧力を、該スラストエアベアリングを形成するために供給するエア圧力よりも低くする圧力調整部を備えてもよい。
本スピンドルユニットでは、該スライド機構は、該スラストエアベアリングと、該スラストエアベアリングよりも広い間隔を有する該ラジアルエアベアリングと、を含んでいてもよい。
本スピンドルユニットでは、該スライド機構は、ビッカーズ硬度５０以上１００以下の金属で形成された、該ラジアルエアベアリングを形成する該スピンドルの外壁または該ケーシングの内壁を含んでいてもよい。

本スピンドルユニットは、スピンドルの回転軸の方向に直交する方向へのスライドを可能にするスライド機構を備えている。これにより、研削砥石が被加工物や加工屑に接触したときに、スピンドルをスライドさせることにより、スピンドルの受ける衝撃を緩和することができる。したがって、スピンドルに振動が発生することを抑制することができる。

スピンドルユニットの構成を示す断面図である。 ケーシングの環状部の近傍の構成を拡大して示す説明図である。 ケーシングの環状部の近傍の構成を拡大して示す説明図である。

図１に示すスピンドルユニット１は、たとえば、研削装置に備えられ、研削装置のチャックテーブルに保持された被加工物としてのウェーハを研削加工するために用いられる。
図１に示すように、スピンドルユニット１は、直立姿勢のスピンドル１０、スピンドル１０を覆っており、スピンドル１０を支持するケーシング３０、スピンドル１０の下端部分を覆うスピンドルカバー５０、および、スピンドル１０を回転駆動する回転モータ６０を備えている。

スピンドル１０は、図１に示す回転軸Ａ１の方向であるＺ軸方向に延びるように配置されている。スピンドル１０の中間部分には、大径の第１円板部１１が形成されている。また、スピンドル１０の下端部分にも、大径の第２円板部１２が形成されている。

スピンドル１０の上端には、回転モータ６０が連結されている。回転モータ６０は、スピンドル１０の上端部分に設けられたロータ６１と、ステータ６２とを有している。ステータ６２に所定の電圧を印加することにより、ロータ６１が回転し、スピンドル１０が、その回転軸Ａ１を中心として回転する。

また、ステータ６２は、冷却ジャケット６５を介して、ケーシング３０の内周面に設けられている。冷却ジャケット６５内には、多数の冷却水路６６が形成されている。これらの冷却水路６６によって、回転モータ６０が冷却される。

ケーシング３０におけるスピンドル１０の上端近傍には、回転検知センサ６７が設けられている。回転検知センサ６７は、スピンドル１０の上端に取り付けられた被検知部６８に対向可能に設けられている。回転検知センサ６７は、被検知部６８の回転移動を検知することにより、スピンドル１０の回転を検知するように構成されている。

スピンドル１０の先端（下端）には、ホイールマウント２０が連結されている。ホイールマウント２０は、円板状に形成されており、スピンドル１０の先端に固定されている。ホイールマウント２０は、研削ホイール２１を支持している。

研削ホイール２１は、外径がホイールマウント２０の外径と略同径を有するように形成されている。研削ホイール２１は、金属材料から形成された円環状のホイール基台２２を含む。ホイール基台２２の下面には、全周にわたって、略直方体形状の複数の研削砥石２３が固定されている。このように、スピンドル１０の先端には、研削砥石２３が装着されている。

研削砥石２３は、被加工物を加工する加工具の一例であり、ホイール基台２２の下面に環状に配置されている。研削砥石２３は、スピンドル１０、ホイールマウント２０、およびホイール基台２２を介して、回転モータ６０によって回転される。これにより、研削砥石２３は、たとえば、スピンドルユニット１が備えられた研削装置において、図示しないチャックテーブルに保持されたウェーハを研削することができる。

スピンドル１０の上端には、研削水源１３０に連通される研削水導入路１３１が取り付けられている。また、研削水導入路１３１は、スピンドル１０、ホイールマウント２０およびホイール基台２２内に設けられている研削水路１３２に連通されている。このような構造により、研削水源１３０からの研削水が、研削水導入路１３１および研削水路１３２を介して、研削砥石２３に供給される。

ケーシング３０は、たとえば略円筒形状を有しており、その内部にスピンドル１０および回転モータ６０等が配置されるように構成されている。ケーシング３０の上部は、蓋部材２５によって塞がれている。そして、ケーシング３０は、スピンドル１０を囲繞し、ラジアルエアベアリングおよびスラストエアベアリングにより、スピンドル１０を回転自在に支持するように構成されている。

ケーシング３０は、その下端部分に、環状部３１を備えている。環状部３１は、スピンドル１０の第１円板部１１と第２円板部１２との間に入り込むように、かつ、第１円板部１１および第２円板部１２と環状部３１との間に僅かな隙間が形成されるように、ケーシング３０に設けられている。

また、ケーシング３０は、図１および図２に示すように、環状部３１に、ラジアルエアベアリングを構成するラジアル側エア噴出口３２を備えている。このラジアル側エア噴出口３２は、エア供給源１１０に接続された第１エア供給路１１１に連通されている。なお、図２は、図１に示したケーシング３０における環状部３１の＋Ｘ方向側の近傍を拡大して示している。

第１エア供給路１１１は、スピンドルユニット１の外部からケーシング３０における環状部３１の内部に延びるように形成されており、環状部３１の表面に設けられた圧力調整部１１４を備えている。この圧力調整部１１４については後述する。

ラジアル側エア噴出口３２は、この第１エア供給路１１１に接続されている。ラジアル側エア噴出口３２は、ケーシング３０における環状部３１のＺ軸方向に延びるラジアル側ケーシング面３６に、スピンドル１０における第１円板部１１と第２円板部１２との間に延びるラジアル側スピンドル面１３に対向するように設けられている。スピンドル１０のラジアル側スピンドル面１３は、スピンドル１０の外面の一例である。また、ケーシング３０のラジアル側ケーシング面３６は、ケーシング３０の内面の一例である。

ラジアル側エア噴出口３２は、スピンドル１０のラジアル側スピンドル面１３とケーシング３０のラジアル側ケーシング面３６との間の隙間であるラジアル隙間３００に向けて開口されている。ラジアル側エア噴出口３２が、このラジアル隙間３００に向けてラジアル方向である水平方向に、第１エア供給路１１１から供給される高圧のエアを噴出することにより、ケーシング３０とスピンドル１０との間であるラジアル隙間３００に、スピンドル１０を回転可能にエアによって非接触で支持するラジアルエアベアリングが形成される。

また、ケーシング３０は、図１および図３に示すように、環状部３１に、スラストエアベアリングを構成するスラスト側エア噴出口３５を備えている。このスラスト側エア噴出口３５は、エア供給源１１０に接続された第２エア供給路１１２に連通されている。なお、図３は、図１に示したケーシング３０における環状部３１の－Ｘ方向側の近傍を拡大して示している。
第２エア供給路１１２は、スピンドルユニット１の外部から環状部３１を含むケーシング３０の内部に延びるように形成されている。

スラスト側エア噴出口３５は、この第２エア供給路１１２に接続されている。スラスト側エア噴出口３５は、ケーシング３０における環状部３１の上面および下面である２つのスラスト側ケーシング面３７に、スピンドル１０における第１円板部１１の下面１５および第２円板部１２の上面１６に対向するように設けられている。スピンドル１０における第１円板部１１の下面１５および第２円板部１２の上面１６は、スピンドル１０の外面の一例である。また、ケーシング３０のスラスト側ケーシング面３７は、ケーシング３０の内面の一例である。

スラスト側エア噴出口３５は、スピンドル１０の第１円板部１１の下面１５および第２円板部１２の上面１６とケーシング３０の２つのスラスト側ケーシング面３７との間の隙間であるスラスト隙間３０１に向けて開口されている。スラスト側エア噴出口３５が、このスラスト隙間３０１に向けてスラスト方向であるＺ軸方向に、第２エア供給路１１２から供給される高圧のエアを噴出することにより、ケーシング３０とスピンドル１０との間であるスラスト隙間３０１に、スピンドル１０を回転可能にエアによって非接触で支持するスラストエアベアリングが形成される。

このように、スピンドルユニット１では、加工具である研削砥石２３を先端に装着するスピンドル１０をケーシング３０で囲繞して、スピンドル１０の外面とケーシング３０の内面との隙間でスラストエアベアリングとラジアルエアベアリングとを形成して、スピンドル１０を回転可能に支持している。

また、図２および図３に示すように、ケーシング３０は、環状部３１のラジアル側ケーシング面３６に、ラジアル隙間３００に向けて開口されているラジアル側吸気口４０を備えている。ラジアル側吸気口４０は、破線によって示される第１排気路１１５に接続されている。第１排気路１１５は、環状部３１内に延びるように設けられており、図２に示すように、環状部３１の表面に設けられたラジアルエアベアリング排気口１１６に連通されている。これらラジアル側吸気口４０、第１排気路１１５およびラジアルエアベアリング排気口１１６は、ラジアル隙間３００からエアを排出するために用いられる。

さらに、ケーシング３０は、環状部３１のスラスト側ケーシング面３７に、スラスト隙間３０１に向けて開口されているスラスト側吸気口４１を備えている。スラスト側吸気口４１は、破線によって示される第２排気路１１７に接続されている。第２排気路１１７は、環状部３１内に延びるように設けられており、環状部３１の表面に設けられたスラストエアベアリング排気口１１８に連通されている。これらスラスト側吸気口４１、第２排気路１１７およびスラストエアベアリング排気口１１８は、スラスト隙間３０１からエアを排出するために用いられる。

また、図１に示すように、スピンドルユニット１は、制御部７を有している。制御部７は、上述したスピンドルユニット１の各部材を制御することにより、スピンドルユニット１の動作を制御する。

さらに、スピンドルユニット１は、研削砥石２３によって被加工物であるウェーハを加工しているときに、スピンドル１０の回転軸Ａ１の方向に直交する方向であるラジアル方向へのスライドを可能にするスライド機構を備えている。

具体的には、スピンドルユニット１は、スライド機構として、上述した圧力調整部１１４を備えている。この圧力調整部１１４は、ラジアルエアベアリングを形成するために供給するエア圧力を、スラストエアベアリングを形成するために供給するエア圧力よりも低くするものである。

すなわち、圧力調整部１１４は、第１エア供給路１１１に配置されており、エア供給源１１０から第１エア供給路１１１を介してラジアル側エア噴出口３２に供給されるエアの流量を調整するための弁である。これにより、圧力調整部１１４は、たとえば制御部７の制御により、研削砥石２３によってウェーハを研削加工しているときに、ラジアル側エア噴出口３２に供給されるエアの流量を減らすことにより、ラジアル隙間３００におけるエアの圧力を、スラスト隙間３０１におけるエアの圧力よりも低くする。

ここで、スピンドルユニット１では、スピンドル１０の先端に配置された研削砥石２３によってウェーハを研削する際には、研削砥石２３の側面および下面が、ウェーハに接触し、ウェーハを研削する。このため、ウェーハから研削砥石２３の側面あるいは下面に与えられる衝撃によって、スピンドル１０に振動が発生することがある。また、研削砥石２３から脱落した砥粒を含む加工屑が研削砥石２３の近傍から排出されない場合、加工屑が研削砥石２３に接触することによってスピンドル１０が衝撃を受けて、スピンドル１０に振動が発生することがある。

これに関し、本実施形態のように、スピンドル１０を支持するラジアルエアベアリングを形成するラジアル隙間３００におけるエアの圧力を圧力調整部１１４によって低くすることにより、スピンドル１０および研削砥石２３がラジアル方向にスライドすることが可能となる。これにより、スピンドル１０が衝撃を受けたときに、スピンドル１０をラジアル方向にスライドさせて、スピンドル１０の受ける衝撃を緩和することができるので、スピンドル１０に振動が生じにくくなる。

また、スピンドル１０および研削砥石２３がラジアル方向にスライドする場合、研削中に、研削砥石２３が被加工物であるウェーハから離間しないので、研削加工が中断されることがない。したがって、本実施形態では、研削時間が長くなることを抑制しながら、スピンドル１０の振動の発生を抑えることができる。

また、スピンドル１０および研削砥石２３がラジアル方向にスライドすることによって、研削砥石２３から脱落した砥粒を含む加工屑を、研削砥石２３の近傍から容易に排出することができる。これにより、スピンドル１０の振動を、より良好に抑制することが可能となる。

なお、スピンドルユニット１は、スピンドル１０のラジアル方向へのスライドを可能にするスライド機構として、圧力調整部１１４に代えてまたは加えて、スピンドル１０をスラスト方向に支持するスラストエアベアリングと、スピンドル１０をラジアル方向に支持する、スラストエアベアリングよりも広い間隔を有するラジアルエアベアリングと、を含んでもよい。すなわち、ラジアルエアベアリングが形成されるラジアル隙間３００が、スラストエアベアリングが形成されるスラスト隙間３０１よりも広い間隔を有していてもよい。

この場合、ラジアルエアベアリングを形成するラジアル隙間３００が比較的に広くなり、ラジアル隙間３００におけるエアを貯める容積が大きくなるため、ラジアル隙間３００におけるエアの圧力が、比較的に減少しやすくなる。したがって、スピンドル１０がラジアル方向の力を受けた場合に、スピンドル１０がラジアル方向にスライドすることが可能となる。これにより、上述したように、スピンドル１０の受ける衝撃を緩和することができるので、スピンドル１０に振動が生じにくくなる。

なお、ラジアルエアベアリングが形成されるラジアル隙間３００を、スラストエアベアリングが形成されるスラスト隙間３０１よりも広くするために、スピンドル１０を細くしてラジアル隙間３００を広げてもよい。あるいは、ケーシング３０における環状部３１の厚さ（Ｚ軸方向のサイズ）を大きくして、スラスト隙間３０１を狭くしてもよい。

また、スピンドルユニット１は、スピンドル１０のラジアル方向へのスライドを可能にするスライド機構として、圧力調整部１１４および／またはスラストエアベアリングよりも広い間隔を有するラジアルエアベアリングに代えてまたは加えて、ビッカーズ硬度５０以上１００以下の金属で形成された、ラジアルエアベアリングを形成するスピンドル１０の外壁（ラジアル側スピンドル面１３）またはケーシング３０の内壁（ラジアル側ケーシング面３６）を含んでいてもよい。

すなわち、ジアルベアリングが形成されるラジアル隙間３００を囲むスピンドル１０の外壁であるラジアル側スピンドル面１３、または、ケーシング３０における環状部３１のラジアル側ケーシング面３６が、ビッカーズ硬度５０以上１００以下の、比較的に柔らかい金属から形成されていることが好ましい。

これに関し、スピンドル１０が衝撃を受けたときには、ラジアルエアベアリングを構成するラジアル隙間３００に、通常よりも強い圧力が加えられる。このラジアル隙間３００を構成するラジアル側スピンドル面１３またはラジアル側ケーシング面３６が、上述のような柔らかい金属から形成されている場合、ラジアル隙間３００に強い圧力が加わったときにラジアル側スピンドル面１３またはラジアル側ケーシング面３６が弾性変形して、ラジアル隙間３００が一時的に広くなる。

したがって、上述したように、ラジアル隙間３００におけるエアの圧力が、比較的に減少しやすくなり、スピンドル１０がラジアル方向にスライドすることが可能となる。これにより、スピンドル１０の受ける衝撃を緩和することができるので、スピンドル１０に振動が生じにくくなる。

なお、弾性変形したラジアル側スピンドル面１３またはラジアル側ケーシング面３６は、ラジアル隙間３００の圧力の低下に伴って、元の形状に復帰する。
また、この場合におけるラジアル側スピンドル面１３またはラジアル側ケーシング面３６を構成するビッカーズ硬度５０以上１００以下の金属としては、たとえば、銅合金、亜鉛合金、およびアルミニウム合金を挙げられる。

１：スピンドルユニット、７：制御部、１０：スピンドル、１１：第１円板部、
１２：第２円板部、１３：ラジアル側スピンドル面、１５：下面、１６：上面、
２０：ホイールマウント、２１：研削ホイール、２２：ホイール基台、２３：研削砥石、
２５：蓋部材、３０：ケーシング、３１：環状部、３２：ラジアル側エア噴出口、
３５：スラスト側エア噴出口、３６：ラジアル側ケーシング面、
３７：スラスト側ケーシング面、
４０：ラジアル側吸気口、４１：スラスト側吸気口、５０：スピンドルカバー、
６０：回転モータ、６１：ロータ、６２：ステータ、６５：冷却ジャケット、
６６：冷却水路、６７：回転検知センサ、６８：被検知部、１１０：エア供給源、
１１１：第１エア供給路、１１２：第２エア供給路、１１４：圧力調整部、
１１５：第１排気路、１１６：ラジアルエアベアリング排気口、１１７：第２排気路、
１１８：スラストエアベアリング排気口、１３０：研削水源、１３１：研削水導入路、
１３２：研削水路、３００：ラジアル隙間、３０１：スラスト隙間、Ａ１：回転軸

Claims (4)

1. 被加工物を加工する加工具を先端に装着するスピンドルをケーシングで囲繞して、該スピンドルの外面と該ケーシングの内面との隙間でスラストエアベアリングとラジアルエアベアリングとを形成して、該スピンドルを回転可能に支持するスピンドルユニットであって、
   被加工物を加工しているときに、該スピンドルの回転軸の方向に直交する方向へのスライドを可能にするスライド機構を備える、スピンドルユニット。
2. 該スライド機構は、該ラジアルエアベアリングを形成するために供給するエア圧力を、該スラストエアベアリングを形成するために供給するエア圧力よりも低くする圧力調整部を備える、
   請求項１記載のスピンドルユニット。
3. 該スライド機構は、該スラストエアベアリングと、該スラストエアベアリングよりも広い間隔を有する該ラジアルエアベアリングと、を含む、
   請求項１記載のスピンドルユニット。
4. 該スライド機構は、ビッカーズ硬度５０以上１００以下の金属で形成された、該ラジアルエアベアリングを形成する該スピンドルの外壁または該ケーシングの内壁を含む、
   請求項１記載のスピンドルユニット。

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