JP6223237B2

JP6223237B2 - 切削装置

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Publication number: JP6223237B2
Application number: JP2014044994A
Authority: JP
Inventors: 久保　雅裕; 雅裕久保; 優爾中西; 邦治和泉
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: TWI651178B; CN104889869B; KR20150105221A; KR102228492B1; CN104889869A; MY177229A; JP2015170743A; TW201540451A

Description

本発明は、板状の被加工物を切削する切削装置に関する。

半導体ウェーハに代表される板状の被加工物は、例えば、円環状の切削ブレードを備える切削装置で切削されて、複数のチップへと分割される。この被加工物の切削中に、切削ブレードの欠けや、切削性能の低下、異物との接触、加工負荷の変化といった異常が発生すると、切削ブレードは振動してしまう。

そこで、このような異常を検出するために、様々な方法が検討されている。例えば、切削ブレードの欠けは、光学センサを用いる方法で検出できる（例えば、特許文献１参照）。また、切削ブレードが装着されたスピンドル（モータ）の電流をモニタする方法で、加工負荷の変化を検出することも可能である。

特許４７０４８１６号公報

しかしながら、上述した光学センサを用いる方法では、切削ブレードの欠け以外の異常を適切に検出できないという問題がある。これに対して、電流をモニタする方法は、切削ブレードの回転に影響する各種の異常を検出可能だが、ある程度の測定誤差があるので僅かな異常の検出には向いていない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、切削中の異常を適切に検出可能な切削装置を提供することである。

本発明によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を切削する切削ブレードを備えた切削手段と、を含み、該切削手段は、スピンドルハウジングに回転可能に支持されたスピンドルと、該スピンドルの端部に装着され、該切削ブレードを挟持する第１のフランジ部材及び第２のフランジ部材と、を具備する切削装置において、該切削ブレードの振動に対応した振動信号を発生する振動信号発生手段と、該振動信号発生手段で発生した振動信号に基づいて該切削ブレードの状態を判定する制御手段と、を具備し、該振動信号発生手段は、該第１のフランジ部材に配設され、該切削ブレードの振動に対応した該振動信号に相当する電圧を発生する超音波振動子と、該超音波振動子と接続され、該電圧を該制御手段に伝送する伝送手段と、からなり、該伝送手段は、該第１のフランジ部材に装着された第１のコイル手段と、該第１のコイル手段と間隔を持って対向し該スピンドルハウジングに配設された第２のコイル手段と、を含み、該超音波振動子の共振周波数別に作成された複数の該第１のフランジ部材から、検出したい該切削ブレードの振動の周波数に対応した該第１のフランジ部材が選定されて該スピンドルに装着されることを特徴とする切削装置が提供される。

また、本発明において、前記制御手段は、前記振動信号の時間変化に相当する波形をフーリエ変換して解析し、振動成分の変化から切削ブレードの状態の変化を判定することが好ましい。

本発明の切削装置は、切削ブレードの振動に対応した振動信号を発生する振動信号発生手段と、振動信号発生手段で発生した振動信号に基づいて切削ブレードの状態を判定する制御手段と、を備えるので、切削ブレードの振動を伴う切削中の異常を適切に検出できる。

本実施の形態に係る切削装置の構成例を模式的に示す斜視図である。切削ユニットの構造を模式的に示す分解斜視図である。切削ユニットの断面等を模式的に示す図である。超音波振動子及び第１のインダクタの配置を模式的に示す図である。図５（Ａ）は、制御装置に伝送される電圧の波形（時間領域の波形）の例を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、フーリエ変換後の波形（周波数領域の波形）の例を示すグラフである。異常の発生前後の波形（周波数領域の波形）の例を示すグラフである。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る切削装置の構成例を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、切削装置２は、各構成を支持する基台４を備えている。

基台４の上面には、Ｘ軸方向（前後方向、加工送り方向）に長い矩形状の開口４ａが形成されている。この開口４ａ内には、Ｘ軸移動テーブル６、Ｘ軸移動テーブル６をＸ軸方向に移動させるＸ軸移動機構（不図示）、及びＸ軸移動機構を覆う防水カバー８が設けられている。

Ｘ軸移動機構は、Ｘ軸方向に平行な一対のＸ軸ガイドレール（不図示）を備えており、Ｘ軸ガイドレールには、Ｘ軸移動テーブル６がスライド可能に設置されている。Ｘ軸移動テーブル６の下面側には、ナット部（不図示）が固定されており、このナット部には、Ｘ軸ガイドレールと平行なＸ軸ボールネジ（不図示）が螺合されている。

Ｘ軸ボールネジの一端部には、Ｘ軸パルスモータ（不図示）が連結されている。Ｘ軸パルスモータでＸ軸ボールネジを回転させることで、Ｘ軸移動テーブル６はＸ軸ガイドレールに沿ってＸ軸方向に移動する。

Ｘ軸移動テーブル６上には、板状の被加工物（不図示）を吸引保持するチャックテーブル１０が設けられている。被加工物は、例えば、円盤状の半導体ウェーハ、樹脂基板、セラミックス基板等であり、下面側をチャックテーブル１０に吸引保持される。

チャックテーブル１０は、モータ等の回転機構（不図示）と連結されており、Ｚ軸方向（鉛直方向）に伸びる回転軸の周りに回転する。また、チャックテーブル１０は、上述のＸ軸移動機構でＸ軸方向に移動する。チャックテーブル１０の周囲には、被加工物を支持する環状のフレーム（不図示）を挟持固定するためのクランプ１２が設けられている。

チャックテーブル１０の表面（上面）は、被加工物を吸引保持する保持面１０ａとなっている。この保持面１０ａは、チャックテーブル１０の内部に形成された流路（不図示）を通じて吸引源（不図示）と接続されている。

基台４の上面には、切削ユニット（切削手段）１４を支持する門型の支持構造１６が、開口４ａを跨ぐように配置されている。支持構造１６の前面上部には、切削ユニット１４をＹ軸方向（割り出し送り方向）及びＺ軸方向に移動させる切削ユニット移動機構１８が設けられている。

切削ユニット移動機構１８は、支持構造１６の前面に配置されＹ軸方向に平行な一対のＹ軸ガイドレール２０を備えている。Ｙ軸ガイドレール２０には、切削ユニット移動機構１８を構成するＹ軸移動テーブル２２がスライド可能に設置されている。

Ｙ軸移動テーブル２２の裏面側（後面側）には、ナット部（不図示）が固定されており、このナット部には、Ｙ軸ガイドレール２０と平行なＹ軸ボールネジ２４が螺合されている。Ｙ軸ボールネジ２４の一端部には、Ｙ軸パルスモータ（不図示）が連結されている。Ｙ軸パルスモータでＹ軸ボールネジ２４を回転させれば、Ｙ軸移動テーブル２２は、Ｙ軸ガイドレール２０に沿ってＹ軸方向に移動する。

Ｙ軸移動テーブル２２の表面（前面）には、Ｚ軸方向に平行な一対のＺ軸ガイドレール２６が設けられている。Ｚ軸ガイドレール２６には、Ｚ軸移動テーブル２８がスライド可能に設置されている。

Ｚ軸移動テーブル２８の裏面側（後面側）には、ナット部（不図示）が固定されており、このナット部には、Ｚ軸ガイドレール２６と平行なＺ軸ボールネジ３０が螺合されている。Ｚ軸ボールネジ３０の一端部には、Ｚ軸パルスモータ３２が連結されている。Ｚ軸パルスモータ３２でＺ軸ボールネジ３０を回転させれば、Ｚ軸移動テーブル２８は、Ｚ軸ガイドレール２６に沿ってＺ軸方向に移動する。

Ｚ軸移動テーブル２８の下部には、被加工物を切削する切削ユニット１４が設けられている。また、切削ユニット１４と隣接する位置には、被加工物の上面側を撮像するカメラ３４が設置されている。上述のようにＹ軸移動テーブル２２及びＺ軸移動テーブル２８を移動させることで、切削ユニット１４及びカメラ３４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動する。

図２は、切削ユニット１４の構造を模式的に示す分解斜視図であり、図３は、切削ユニット１４の断面等を模式的に示す図である。なお、図２及び図３では、切削ユニット１４の構成の一部を省略している。

切削ユニット１４は、Ｚ軸移動テーブル２８の下部に固定されたスピンドルハウジング３６を備えている。このスピンドルハウジング３６は、略直方体状のハウジング本体３８と、ハウジング本体３８の一端側に固定された円柱状のハウジングカバー４０とを含む。

ハウジング本体３８の内部には、Ｙ軸の周りに回転するスピンドル４２が収容されている。スピンドル４２の一端側は、ハウジング本体３８から外部に突出している。スピンドル４２の他端側には、スピンドル４２を回転させるためのモータ（不図示）が連結されている。

ハウジングカバー４０の中央には、円形の開口４０ａが形成されている。また、ハウジングカバー４０のハウジング本体３８側には、ネジ孔４０ｂの形成された係止部４０ｃが設けられている。スピンドル４２の一端側を開口４０ａに挿通し、係止部４０ｃのネジ孔４０ｂを通じてハウジング本体３８のネジ孔３８ａにネジ４４（図３）を締め込めば、ハウジングカバー４０をハウジング本体３８に固定できる。

スピンドル４２の一端部には、開口４２ａが形成されており、当該開口４２ａの内壁面には、ネジ溝が設けられている。このスピンドル４２の一端部には、第１のフランジ部材４６が装着される。

第１のフランジ部材４６は、径方向外向きに延出したフランジ部４８と、フランジ部４８の表裏面からそれぞれ突出する第１のボス部５０及び第２のボス部５２とを含む。第１のフランジ部材４６の中央には、第１のボス部５０、フランジ部４８、及び第２のボス部５２を貫通する開口４６ａが形成されている。

第１のフランジ部材４６の開口４６ａには、裏面側（スピンドルハウジング３６側）からスピンドル４２の一端部が嵌め込まれる。この状態で、開口４６ａ内にワッシャー５６を位置付け、当該ワッシャー５６を通じて固定用のボルト５８を開口４２ａに締め込めば、第１のフランジ部材４６はスピンドル４２に固定される。なお、ボルト５８の外周面５８ａには、開口４２ａのネジ溝に対応するネジ山が設けられている。

フランジ部４８の外周側の表面は、切削ブレード６０の裏面に当接する当接面４８ａとなっている。この当接面４８ａは、Ｙ軸方向（スピンドル４２の軸心方向）から見て円環状に形成されている。

第１のボス部５０は円筒状に形成されており、その先端側の外周面５０ａには、ネジ山が設けられている。切削ブレード６０の中央には、円形の開口６０ａが形成されている。この開口６０ａに第１のボス部５０を挿通することで、切削ブレード６０は、第１のフランジ部材４６に装着される。

切削ブレード６０は、いわゆるハブブレードであり、円盤状の支持基台６２の外周に、被加工物を切削する円環状の切り刃６４が固定されている。切り刃６４は、金属や樹脂等のボンド材（結合材）に、ダイヤモンドやＣＢＮ（Cubic Boron Nitride）等の砥粒を混合して所定厚みに形成されている。なお、切削ブレード６０として、切り刃のみで構成されたワッシャーブレードを用いてもよい。

この切削ブレード６０を第１のフランジ部材４６に装着した状態で、切削ブレード６０の表面側には、円環状の第２のフランジ部材６６が配置される。第２のフランジ部材６６の中央には、円形の開口６６ａが形成されており、当該開口６６ａの内壁面には、第１のボス部５０の外周面５０ａに形成されたネジ山に対応するネジ溝が設けられている。

第２のフランジ部材６６の外周側の裏面は、切削ブレード６０の表面に当接する当接面６６ｂ（図３）となっている。当接面６６ｂは、第１のフランジ部材４６の当接面４８ａと対応する位置に設けられている。

この第２のフランジ部材６６の開口６６ａに、第１のボス部５０の先端を締め込むことで、切削ブレード６０は、第１のフランジ部材４６と第２のフランジ部材６６とで挟持される。

このように構成された切削ユニット１４には、切削ブレード６０の振動を検出するための振動検出機構が設けられている。振動検出機構は、切削ブレード６０の振動に対応した振動信号を発生する振動信号発生装置（振動信号発生手段）６８（図３）を含んでいる。

振動信号発生装置６８は、第１のフランジ部材４６の内部に固定された超音波振動子７０を備えている。この超音波振動子７０は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｉ，Ｔｉ）Ｏ_３）、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）等の材料で形成されており、切削ブレード６０の振動を電圧（振動信号）に変換する。

通常、この超音波振動子７０は、所定の周波数の振動に対して共振するように構成されている。そのため、超音波振動子７０の共振周波数に応じて、振動検出機構で検出できる振動の周波数が決まる。

本実施の形態に係る切削装置２では、共振周波数の異なる超音波振動子７０をそれぞれ備えた複数の第１のフランジ部材４６から、検出すべき切削ブレード６０の振動の周波数に対応した第１のフランジ部材４６を選択してスピンドル４２に装着する。

これにより、切削ブレード６０や被加工物の種類（材質、大きさ、重量等）、発生頻度の高い異常の態様等に応じて、振動検出機構を最適化できる。各第１のフランジ部材４６の対応周波数は、例えば、５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、１００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ、３００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚとする。この場合、３種類の第１のフランジ部材４６を交換することで、５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数範囲の振動を適切に検出できる。

超音波振動子７０には、超音波振動子７０で発生する電圧を伝送するための非接触型の伝送路（伝送手段）７２（図３）が接続されている。この伝送路７２は、超音波振動子７０に接続された第１のインダクタ（第１のコイル手段）７４と、第１のインダクタ７４に対して所定の間隔で対向する第２のインダクタ（第２のコイル手段）７６とを含む。

第１のインダクタ７４及び第２のインダクタ７６は、代表的には、導線が巻回された円環状のコイルであり、それぞれ、第１のフランジ部材４６及びハウジングカバー４０に固定されている。

図４は、超音波振動子７０及び第１のインダクタ７４の配置を模式的に示す図である。本実施の形態では、図４に示すように、Ｙ軸方向（スピンドル４２の軸心Ｏの方向）から見て第１のインダクタ７４と重なる位置に、２個の同じ超音波振動子７０が配置されている。

２個の超音波振動子７０は、スピンドル４２の軸心Ｏに関して対称に配置されている。このように、複数の超音波振動子７０をスピンドル４２の軸心Ｏに関して対称に配置することで、切削ブレード６０の振動を高精度に検出できる。なお、超音波振動子７０の数、配置、形状等は、図４に示す態様に限定されない。

第１のインダクタ７４と第２のインダクタ７６とは対向しており、磁気的に結合されている。そのため、超音波振動子７０で発生した電圧は、第１のインダクタ７４と第２のインダクタ７６との相互誘導によって、第２のインダクタ７６側に伝送される。

第２のインダクタ７６には、制御装置（制御手段）７８が接続されている。この制御装置７８は、第２のインダクタ７６から伝送される電圧に基づいて切削ブレードの振動状態を判定する。具体的には、任意の単位時間あたりに伝送される電圧の時間変化に相当する波形（時間領域の波形）を、フーリエ変換（例えば、高速フーリエ変換）によってスペクトル解析し、得られた周波数領域の波形に基づいて切削ブレード６０の状態を判定する。単位時間としては、１本のラインの切削に要する時間（１カットライン毎）、１枚の被加工物の切削に要する時間（１ワーク毎）、任意の距離を切削するのに要する時間（カット距離毎）等、様々な態様が考えられる。

図５（Ａ）は、制御装置７８に伝送される電圧の波形（時間領域の波形）の例を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、フーリエ変換後の波形（周波数領域の波形）の例を示すグラフである。なお、図５（Ａ）では、縦軸が電圧（Ｖ）を、横軸が時間（ｔ）をそれぞれ示し、図５（Ｂ）では、縦軸が振幅を、横軸が周波数（ｆ）をそれぞれ示す。

このように、振動信号発生装置６８からの電圧（振動信号）の波形を制御装置７８でフーリエ変換すれば、図５（Ｂ）に示すように、切削ブレード６０の振動を主要な周波数成分に分けて、切削中に発生する異常を容易に解析できる。これにより、切削中の異常をリアルタイムに精度よく検出できる。

図６は、異常の発生前後の波形（周波数領域の波形）の例を示すグラフである。図６では、縦軸が振幅を、横軸が周波数（ｆ）をそれぞれ示している。また、図６では、異常の発生前の波形を実線で示し、異常の発生後の波形を破線で示す。

図６に示すように、異常の発生後の波形には、異常の発生前の波形には見られない高周波数側の振動モード（振動成分）が存在している。制御装置７８は、例えば、異常の発生前後の波形（周波数領域の波形）を比較して、異常の発生後の波形にのみ見られる振動モードに対応する異常が発生したと判定する。

以上のように、本実施の形態に係る切削装置２は、切削ブレード６０の振動に対応した振動信号を発生する振動信号発生装置（振動信号発生手段）６８と、振動信号発生装置６８で発生した振動信号に基づいて切削ブレード６０の状態を判定する制御装置（制御手段）７８と、を備えるので、切削ブレード６０の振動を伴う切削中の異常を適切に検出できる。

また、本実施の形態に係る切削装置２では、電圧（振動信号）の時間変化に相当する波形（時間領域の波形）をフーリエ変換するので、振動信号を直接に解析する場合と比較して、切削中に発生する異常の解析が容易になる。これにより、切削中の異常を高い精度で検出できる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されない。例えば、電圧（振動信号）をフーリエ変換せずに解析しても良い。その他、上記実施の形態に係る構成、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

２切削装置
４基台
４ａ開口
６Ｘ軸移動テーブル
８防水カバー
１０チャックテーブル
１０ａ保持面
１２クランプ
１４切削ユニット（切削手段）
１６支持構造
１８切削ユニット移動機構
２０Ｙ軸ガイドレール
２２Ｙ軸移動テーブル
２４Ｙ軸ボールネジ
２６Ｚ軸ガイドレール
２８Ｚ軸移動テーブル
３０Ｚ軸ボールネジ
３２Ｚ軸パルスモータ
３４カメラ
３６スピンドルハウジング
３８ハウジング本体
３８ａネジ孔
４０ハウジングカバー
４０ａ開口
４０ｂネジ孔
４０ｃ係止部
４２スピンドル
４２ａ開口
４４ネジ
４６第１のフランジ部材
４６ａ開口
４８フランジ部
４８ａ当接面
５０第１のボス部
５０ａ外周面
５２第２のボス部
５６ワッシャー
５８ボルト
５８ａ外周面
６０切削ブレード
６０ａ開口
６２支持基台
６４切り刃
６６第２のフランジ部材
６６ａ開口
６６ｂ当接面
６８振動信号発生装置（振動信号発生手段）
７０超音波振動子
７２伝送路（伝送手段）
７４第１のインダクタ（第１のコイル手段）
７６第２のインダクタ（第２のコイル手段）
７８制御装置（制御手段）
Ｏ軸心

Claims

被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を切削する切削ブレードを備えた切削手段と、を含み、
該切削手段は、スピンドルハウジングに回転可能に支持されたスピンドルと、該スピンドルの端部に装着され、該切削ブレードを挟持する第１のフランジ部材及び第２のフランジ部材と、を具備する切削装置において、
該切削ブレードの振動に対応した振動信号を発生する振動信号発生手段と、
該振動信号発生手段で発生した振動信号に基づいて該切削ブレードの状態を判定する制御手段と、を具備し、
該振動信号発生手段は、
該第１のフランジ部材に配設され、該切削ブレードの振動に対応した該振動信号に相当する電圧を発生する超音波振動子と、
該超音波振動子と接続され、該電圧を該制御手段に伝送する伝送手段と、からなり、
該伝送手段は、該第１のフランジ部材に装着された第１のコイル手段と、該第１のコイル手段と間隔を持って対向し該スピンドルハウジングに配設された第２のコイル手段と、を含み、
該超音波振動子の共振周波数別に作成された複数の該第１のフランジ部材から、検出したい該切削ブレードの振動の周波数に対応した該第１のフランジ部材が選定されて該スピンドルに装着されることを特徴とする切削装置。
前記制御手段は、前記振動信号の時間変化に相当する波形をフーリエ変換して解析し、振動成分の変化から切削ブレードの状態の変化を判定することを特徴とする請求項１記載の切削装置。