JP7464410B2

JP7464410B2 - 加工装置

Info

Publication number: JP7464410B2
Application number: JP2020036321A
Authority: JP
Inventors: 正村里
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: JP2021137900A

Description

本発明は、非円形状のワークを加工する加工装置に関する。

半導体製造分野では、シリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ワーク」という）を薄膜に形成するために、ワークの裏面を研削する裏面研削が行われている。

ワークの裏面研削を行う加工装置として、特許文献１に示すように、下端に砥石が取り付けられたスピンドル送り機構が定圧シリンダに吊設され、ワークに切り込ませた砥石に作用する摩擦力が所定値より高い場合に、定圧シリンダが、スピンドル及びスピンドル送り機構を鉛直方向に上昇させるものが知られている。

このような研削盤では、砥石に作用する摩擦力が過大となる場合に、定圧シリンダが、スピンドルとスピンドル送り機構とを一時的に上昇させるため、砥石とワークとが過度に接触しない状態でワークが延性モード研削されるため、ワークにダメージを与えることなく安定して研削することができる。

特許第６０３０２６５号公報

しかしながら、砥石及び矩形ワーク等の非円形状のワークをそれぞれ回転させながら研削する場合、砥石とワークとの接触面積は常に一定ではなく、例えば、砥石とワークとの接触面積が比較的大きい領域は、接触面積が比較的小さい領域と比べて、ワークの研削量が減少しがちである。すなわち、砥石をワークに対して一様に接触させると、砥石とワークとの接触面積の変動に応じて、加工後のワークに厚みばらつきが生じるという問題があった。

そこで、非円形状のワークを所望の厚みに加工するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る加工装置は、非円形状のワークを平面加工する加工装置であって、前記ワークを吸着保持可能なチャックと、前記チャックを回転させるチャックスピンドルと、前記チャックの回転角度を検出可能な検出部と、を備えている保持手段と、前記ワークを加工する砥石と、前記砥石を回転させる砥石スピンドルと、前記砥石を垂直方向に移動させるスピンドル送り機構と、前記スピンドル送り機構を保持するエアシリンダと、を備えている加工手段と、前記ワークと前記砥石とが接触する接触面積の変化に応じて、前記チャックの所定回転角度毎に前記エアシリンダに供給される空気圧を加減圧して前記砥石を昇降させる制御手段と、を備えている。

この構成によれば、チャックの回転に伴うワーク及び砥石の接触面積の変化に応じて、チャックの所定回転角度毎に砥石を昇降させることにより、非円形状のワークの加工量が局所的に変化することを抑制し、ワークの形状に起因する加工後のワークの厚みバラつきを軽減することができる。

また、本発明に係る加工装置は、前記制御手段が、前記接触面積が予め設定された基準面積と比較して大きい場合には、前記エアシリンダに供給される空気圧を予め設定された基準圧より加圧して、前記砥石を降下させることが好ましい。

この構成によれば、基準面積より広いワーク及び砥石の接触面積内の加工量が局所的に低下することを抑制できる。

また、本発明に係る加工装置は、前記制御手段が、前記接触面積が予め設定された基準面積と比較して小さい場合には、前記エアシリンダに供給される空気圧を予め設定された基準圧より減圧して、前記砥石を上昇させることが好ましい。

この構成によれば、基準面積より狭いワーク及び砥石の接触面積内の加工量が局所的に増大することを抑制できる。

本発明は、チャックの回転に伴うワーク及び砥石の接触面積の変化に応じて、チャックの所定回転角度毎に砥石を昇降させることにより、非円形状のワークの加工量が局所的に変化することを抑制し、ワークの形状に起因する加工後のワークの厚みバラつきを軽減することができる。

本発明の一実施形態に係る研削装置を示す斜視図。図１に示すメインユニットの側面図。図１に示すメインユニットの平面図。ワーク内の２箇所におけるワークと砥石との接触面積を比較した平面図。チャックの回転角度に応じて、砥石の高さ位置を変化させる様子を示す図。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。

研削装置１は、ワークＷを研削して薄膜に形成するものである。なお、以下では、平面視で正方形状のワークＷを例に説明するが、ワークＷの形状はこれに限定されるものではない。研削装置１を用いて研削加工が施されるワークＷは、シリコンウェハ、シリコンカーバイドウェハ等の高硬度・高脆性を示すものが好適であるが、これらに限定されるものではない。

研削装置１は、砥石２１を備えるメインユニット２と、メインユニット２の下方に配置された搬送ユニット３と、を備えている。

メインユニット２は、アーチ状のコラム２２と、砥石２１が取り付けられた砥石スピンドル２３と、砥石スピンドル２３を鉛直方向Ｖに摺動可能に支持する３つのリニアガイド２４と、砥石スピンドル２３を鉛直方向Ｖに昇降させるスピンドル送り機構２５と、を備えている。

砥石スピンドル２３は、コラム２２の前面２２ａに鉛直方向Ｖに亘って凹設された溝２２ｂ内に収容されている。砥石スピンドル２３は、砥石２１を下端に取り付けたサドル２３ａと、サドル２３ａ内に設けられて砥石２１を回転させる図示しないモータと、を備えている。

リニアガイド２４は、鉛直方向Ｖに沿って昇降するサドル２３ａの案内レールであり、２つの前方リニアガイド２４ａと、１つの後方リニアガイド２４ｂと、で構成される。

前方リニアガイド２４ａは、コラム２２の前方で溝２２ｂの縁部に配置され、鉛直方向Ｖに沿って互いに平行に設けられている。また、前方リニアガイド２４ａには、サドル２３ａが直接取り付けられている。

後方リニアガイド２４ｂは、溝２２ｂの底部に鉛直方向Ｖに沿って互いに平行に設けられている。また、後方リニアガイド２４ｂには、後述するナット２５ａを介して、サドル２３ａが取り付けられている。

前方リニアガイド２４ａと後方リニアガイド２４ｂとは、図３に示すように、平面視で砥石スピンドル２３の重心Ｇが前方リニアガイド２４ａ及び後方リニアガイド２４ｂで形成される三角形Ｔ内に配置されるように、互いに離間して配置されている。

スピンドル送り機構２５は、サドル２３ａと後方リニアガイド２４ｂとを連結するナット２５ａと、ナット２５ａを昇降させるボールネジ２５ｂと、ボールネジ２５ｂを回転させるモータ２５ｃと、を備えている。

モータ２５ｃが駆動してボールネジ２５ｂが回転すると、ナット２５ａが鉛直方向Ｖと平行なボールネジ２５ｂの送り込み方向Ｄ１にスライドすることにより、サドル２３ａが下降する。

メインユニット２には、エアシリンダ２６が設けられている。エアシリンダ２６は、スピンドル送り機構２５を挟んで水平方向Ｈの両側に１つずつ設けられている。エアシリンダ２６は、図示しないシリンダ、ピストン、ピストンロッド、コンプレッサ等から成る公知の構成である。

エアシリンダ２６の駆動圧は、砥石２１がワークＷの臨界切り込み深さ（Ｄｃ値）だけ切り込んだ際に砥石２１に作用する摩擦力に対応した値以下に設定される。Ｄｃ値は、ワークＷの材料毎に異なり、例えば、シリコンウェハで０．０９μｍ、シリコンカーバイドウェハで０．１５μｍである。さらに、エアシリンダ２６に供給される圧縮空気の圧力（空気圧）を加減することにより、エアシリンダ２６がスピンドル送り機構２５を介して砥石２１をワークＷに押し付ける押圧力を調整して、砥石２１の鉛直方向Ｖにおける位置（高さ位置）を昇降できる。

エアシリンダ２６は、砥石スピンドル２３及びスピンドル送り機構２５を溝２２ｂ内で吊設しており、エアシリンダ２６のピストンロッドが、モータ２５ｃに連結されている。エアシリンダ２６がスピンドル送り機構２５を挟んで水平方向Ｈの両側に設けられることにより、スピンドル送り機構２５が昇降する際にスピンドル送り機構２５が水平方向Ｈに傾くことが抑制される。

搬送ユニット３は、ワークＷを吸着保持可能なチャック３１と、チャック３１の回転角度を検出する検出部３２と、チャック３１を載置するスライダ３３と、を備えている。

チャック３１は、上面にアルミナ等の多孔質材料からなる吸着体３４と、吸着体３４を略中央に埋設する緻密体３５と、を備えている。チャック３１は、内部を通って表面に延びる図示しない管路を備えている。管路は、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源又は給水源に接続されている。真空源が起動すると、吸着体３４に載置されたワークＷが吸着体３４に吸着保持される。また、圧縮空気源又は給水源が起動すると、ワークＷと吸着体３４との吸着が解除される。

吸着体３４は、平面から視てワークＷに応じた形状に形成されている。また、緻密体３５は、平面から視て略円形状に形成されているが、緻密体３５の形状はこれに限定されるものではない。また、チャック３１は、図示しないサーボモータによってチャック３１の中心を通る鉛直軸回りに回動可能である。

検出部３２は、チャック３１の回転角度を検出し、チャック３１が所定角度だけ回転する度に検出信号を後述する制御装置５に送る。検出部３２は、例えば、チャック３１を回転させるサーボモータとチャック３１の回転角度とサーボモータの回転角度とが対応するため、サーボモータの回転角度を読み取ることで、チャック３１の回転角度を検出することができる。

スライダ３３は、図示しないスライダ駆動機構によってレール３６上を摺動可能であり、これにより、チャック３１とスライダ３３とは、搬送方向Ｄ２に一体になってスライドするようになっている。

このようにして、チャック３１上に真空吸着されたワークＷは、研削加工前に、スライダ３３によって砥石２１の下方まで搬入され、研削加工後に、砥石２１の下方からメインユニット２の後方まで搬出される。

研削装置１には、ワークＷの厚みを計測するインプロセスゲージ４が設けられている。インプロセスゲージ４は、加工中にワークＷの厚みを計測する。

研削装置１の動作は、制御装置５によって制御される。制御装置５は、研削装置１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御装置５は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御装置５の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。

次に、研削装置１を用いてワークＷを研削加工する手順について説明する。

まず、ワークＷをチャック３１に吸着保持させる。また、ボールネジ２５ｂを正回転させ、ナット２５ａ及びサドル２３ａを送り込み方向Ｄ１にスライドさせて、砥石２１をワークＷの近傍まで下降させる。

次に、砥石２１及びチャック３１をそれぞれ回転させる。例えば、砥石スピンドル２３の回転速度は２０００ｒｐｍ、チャック３１の回転速度は３００ｒｐｍに設定される。砥石２１の番手は、例えば＃８０００である。

スピンドル送り機構２５が砥石スピンドル２３をワークＷに接近させ、砥石２１がワークＷに着座した状態から研削加工を開始する。例えば、スピンドル送り機構２５の送り速度は０．４μｍ／ｓに設定される。

研削加工は、砥石２１の砥粒が研削加工中にワークＷに過剰に接触しない、いわゆるフローティングした状態でワークＷを延性モード研削することで行われる。

具体的には、砥石スピンドル２３が自重（例えば、２０ｋｇ）で砥石２１をワークＷに押し付けながら研削加工を行い、砥石２１に作用する摩擦力がピストンロッドに伝わると、エアシリンダ２６のシリンダ内に充填された圧縮空気を押し戻すようにピストンを上昇させる。したがって、砥石２１が所望の研削量（例えば、Ｄｃ値）より深く切り込もうとして、砥石２１に作用する摩擦力が過大になる場合、砥石スピンドル２３及びスピンドル送り機構２５が一時的に上昇する。これにより、砥石２１がＤｃ値以上に切り込むことが抑制される。

そして、インプロセスゲージ４の測定値がワークＷの仕上げ厚みに達すると、ボールネジ２５ｂを逆回転させて、ナット２５ａ及びサドル２３ａを上昇させることにより、砥石２１をワークＷから離間させて、研削加工を終了する。

ところで、砥石２１及び正方形状のワークＷをそれぞれ回転させながらワークＷを研削加工する場合、砥石２１とワークＷとの接触面積が一定でないことに起因して、研削加工後のワークＷの厚みがワークＷ面内でばらつくことがある。このような研削量のばらつきは、ワークＷとの接触面積の変動による影響を受けがちな目の細かい砥石２１ほど生じがちである。

例えば、図４に示すように、砥石２１の加工面がワークＷの角及びチャック３１の回転中心Ｏを通るように設定されたワークＷと砥石２１との接触面積Ｓ１（チャック３１の回転角度＝Θ）と、砥石２１の加工面がワークＷの辺の中央及び回転中心Ｏを通るように設定されたワークＷと砥石２１との接触面積Ｓ２（チャック３１の回転角度＝Θ―４５度）とを比較すると、接触面積Ｓ１が接触面積Ｓ２より約２倍程度広い。

そして、砥石２１をワークＷに全面に亘って一様に接触させた場合、ワークＷと砥石２１との接触面積が増大するにつれて、ワークＷの研削量が減少して研削加工後のワークＷは厚くなる。したがって、図４に示す接触面積Ｓ１、Ｓ２内の厚みを比較すると、研削加工後のワークＷでは、接触面積Ｓ１の方が接触面積Ｓ２より厚くなることが予測される。

そこで、研削装置１では、以下の手順により、研削加工後のワークＷの厚みばらつきを抑制する。

［準備工程］
まず、チャック３１の所定回転角度毎に、ワークＷ及び砥石２１の接触面積を算出し、制御装置５に記憶させる。なお、接触面積を算出するチャック３１の回転角度の間隔は、任意に変更可能である。

また、制御装置５は、予め記憶された基準となる任意のチャック３１の回転角度におけるワークＷ及び砥石２１の接触面積（基準面積）と、チャック３１の回転角度毎のワークＷ及び砥石２１の接触面積とを比較し、チャック３１の回転角度毎に加工時のワークＷに対する砥石２１の高さ位置及びその砥石２１の高さ位置を実現可能なエアシリンダ２６に供給される空気圧を算出して記憶する。

具体的には、ワークＷ及び砥石２１の接触面積が基準面積より大きい場合には、エアシリンダ２６に供給される空気圧を加圧して、砥石２１を基準位置より降下させ、ワークＷの研削量を局所的に増大させる。なお、「基準位置」とは、基準面積内における砥石２１の高さ位置を意味する。これにより、基準面積より広いワークＷ及び砥石２１の接触面積内での研削量が局所的に低下することを抑制できる。

一方、ワークＷ及び砥石２１の接触面積が基準面積より小さい場合には、エアシリンダ２６に供給される空気圧を減圧して、砥石２１を基準位置より上昇させ、ワークＷの研削量を局所的に減少させる。これにより、基準面積より狭いワークＷ及び砥石２１の接触面積内の研削量が局所的に増大することを抑制できる。

なお、砥石２１の基準位置に対する昇降量やエアシリンダ２６の空気圧は、通常の研削を行った場合に生じるワークＷ面内の厚みばらつきを相殺するように設定されるのが好ましい。

例えば、サンプルとして図４に示すような３００ｍｍ四方のモールド基板を研削してワークＷ面内で３μｍ程度の厚みばらつきが生じた場合、最大面積である接触面積Ｓ１（チャック３１の回転角度：Θ度）内での砥石２１の高さ位置を、接触面積Ｓ２（チャック３１の回転角度：Θ－４５度）内での砥石２１の高さ位置より３μｍ程度降下させる必要がある。

そこで、通常の研削におけるエアシリンダ２６の空気圧を基準圧とした場合、接触面積Ｓ１内においてエアシリンダ２６の空気圧を基準圧に所定の加圧量（例えば、約０．２ＭＰａ）だけ加圧する。

さらに、チャック３１の回転角度が（Θ―４５）度～（Θ＋４５）度の間では、エアシリンダ２６の基準圧に加圧される加圧量を０～０．２ＭＰａの間でワークＷ及び砥石２１の接触面積の比率に応じて比例して設定される。なお、基準圧に加圧される加圧量は、砥石２１の番手やワークＷの材質等により変動し得る。

［砥石位置調整］
砥石２１及びワークＷをそれぞれ回転させながら砥石２１をワークＷに向けて押し付けてワークＷを研削する際に、検出部３２が、加工中のチャック３１の回転角度を検出し、チャック３１の回転角度を制御装置５に送る。

次に、制御装置５は、検出部３２が検出したチャック３１の回転角度に基づいて、予め記憶されたチャック３１の回転角度毎の砥石２１の高さ位置に合致するように、エアシリンダ２６の空気圧を加減して、砥石２１がワークＷを研削する研削量を調整する。図５は、チャック３１の回転角度に応じて砥石２１の高さ位置が変化する様子を示す模式図である。

このようにして、本実施形態に係る研削装置１は、ワークＷ及び砥石２１の接触面積の変化に応じて、チャック３１の回転角度毎に砥石２１がワークＷを研削する研削量を調整させることにより、非円形状のワークＷの研削量が局所的に変化することを抑制し、ワークＷの形状に起因する研削後のワークＷの厚みバラつきを軽減することができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１：研削装置
２：メインユニット（加工手段）
２１：砥石
２２：コラム
２２ａ：前面
２２ｂ：溝
２３：砥石スピンドル
２３ａ：サドル
２４：リニアガイド
２４ａ：前方リニアガイド
２４ｂ：後方リニアガイド
２５：スピンドル送り機構
２５ａ：ナット
２５ｂ：ボールネジ
２５ｃ：モータ
２６：エアシリンダ
３：搬送ユニット（保持手段）
３１：チャック
３２：検出部
３３：スライダ
３４：吸着体
３５：緻密体
３６：レール
４：インプロセスゲージ
５：制御装置（制御手段）
Ｗ：ワーク

Claims

非円形状のワークを平面加工する加工装置であって、
前記ワークを吸着保持可能なチャックと、前記チャックを回転させるチャックスピンドルと、前記チャックの回転角度を検出可能な検出部と、を備えている保持手段と、
前記ワークを加工する砥石と、前記砥石を回転させる砥石スピンドルと、前記砥石を垂直方向に移動させるスピンドル送り機構と、前記スピンドル送り機構を保持するエアシリンダと、を備えている加工手段と、
前記ワークと前記砥石とが接触する接触面積の変化に応じて、前記チャックの所定回転角度毎に前記エアシリンダに供給される空気圧を加減圧して前記砥石を昇降させる制御手段と、
を備えていることを特徴とする加工装置。
前記制御手段は、前記接触面積が予め設定された基準面積と比較して大きい場合には、前記エアシリンダに供給される空気圧を予め設定された基準圧より加圧して、前記砥石を降下させることを特徴とする請求項１記載の加工装置。
前記制御手段は、前記接触面積が予め設定された基準面積と比較して小さい場合には、前記エアシリンダに供給される空気圧を予め設定された基準圧より減圧して、前記砥石を上昇させることを特徴とする請求項１又は２記載の加工装置。