JP2005161449A - 鏡面加工用カップ型超砥粒ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面研削加工を行う際に、研削性能を向上させて加工面全体の平坦度を向上させ、ウエハ中央部における凹部発生を抑止できる鏡面加工用超砥粒ホイールを得る。
【解決手段】台金に、複数の超砥粒層が設けられたカップ型のビトリファイドボンド超砥粒ホイールであって、前記超砥粒層が、台金の半径方向に対して、両側対象な角度の直線により構成される環状に配列され、台金上に形成された曲線における接線の、基台半径方向に対する最大角度は、基台外周側に開く角度については３０度以上９０度以下であり、基台内周側に開く角度については、１０度以上４５度以下としたことを特徴とする。さらに環状の砥粒層を構成する各直線上に溝を形成し，少なくとも隣り合う直線に形成された溝は、超砥粒ホイールの半径方向の位置が異なるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン、ガラス、セラミックス、フェライト、水晶、超硬合金等、半導体材料、半導体部品、電子材料、電子部品、ウエハ等に用いられる硬脆材料を鏡面加工するために用いられるカップ型超砥粒ホイールに関するものである。

最近、半導体における高集積化やセラミックス、ガラス、フェライトなどの加工において急激な技術革新により超精密化の動きが加速し、高精度な鏡面加工が要求されている。この鏡面加工は一般にラッピング加工と呼ばれる研削加工で、ラップ定盤と工作物との間にラップ液に混合した遊離砥粒の転動作用と引っかき作用により工作物を削り、高精度な鏡面を得る加工法である。しかし、ラッピング加工では遊離砥粒を多く使用するために作業環境が悪化し、さらに使用済みの遊離砥粒と切り屑とラップ液の混合物、すなわちスラッジと呼ばれるものが大量に発生し、その処理において公害発生が大きな問題となっていた。

この遊離砥粒を用いた研削方法を改め、固定された微粒超砥粒による鏡面加工法の研究開発が盛んに行われている。固定された微粒超砥粒による鏡面加工法としては、平均粒径が数μｍの超砥粒を弾性的に保持したレジンボンド超砥粒ホイールによる加工法や、メタルボンド超砥粒ホイールを電解によりボンド材を溶かしながらドレッシングして研削するようにしたＥＬＩＤ研削加工法などが良く知られている。

しかし、レジンボンド超砥粒ホイールにおいては、微粒超砥粒を使用するため砥石の切れ味が悪く、しかも砥石磨耗が大きいので加工面の形状精度が低下しやすいため、頻繁にツルーイング・ドレッシングをしなければならない問題があった。一方、メタルボンド超砥粒ホイールにおいては、レジンボンドと同程度の鏡面を得ようとすると、ボンド材が高剛性であるためレジンボンドよりも更に細かい超砥粒を用いる必要があり、そのため一層切れ味が低下する問題があった。

切れ味の問題を解決する方法としては、切り屑の排出性に優れ、適度な自生作用を有するビトリファイドボンドを使い、さらに超砥粒層の面積を小さくして高い加工面圧を得ながら、切り屑および冷却水の排出経路を確保することが考えられる。例えば、ビトリファイドボンドの超砥粒層に多数の溝を形成し、研削に作用する超砥粒層が相互に隙間をあけて形成されるような超砥粒層とした超砥粒ホイールを使えば、遊離砥粒加工を固定砥粒加工化できるだけでなく、ビトリファイドボンド超砥粒ホイールをダイヤモンドロータリードレッサ（以下、ＲＤと呼ぶ）でツルーイング・ドレッシングすることによって、切れ味が極めて良好で、寿命の長い鏡面加工用ビトリファイドボンド超砥粒ホイールとすることができる。これは、ビトリファイドボンドの大きな容量の気孔が、チップポケットの役割を果たし、切り屑の排出を促して高能率加工を可能にし、高品位な工作物の表面粗さを得ることができるためである。

上記の鏡面加工用ビトリファイドボンド超砥粒ホイールでは、セグメント状の超砥粒としている。しかし、セグメントの大きさや形状によっては、鏡面加工中に破砕や脱落した超砥粒あるいは加工屑が超砥粒層と工作物との間に挟まり、工作物表面にスクラッチが発生する場合があり、スクラッチを除去する加工工程で時間がかかるという問題も起こりうる。

上記の問題を解決するものとして、本出願人は、板状の超砥粒層を山形に曲げたものを台金の端面に相互に間隔をあけて配置し、鏡面加工中に発生する破砕や脱落した超砥粒あるいは加工屑の排出性を向上させ、スクラッチが発生しにくく効率のよい加工をできるようにしたものを提案した。（例えば、特許文献１参照）
国際公開番号 ＷＯ ０２／２２３１０ Ａ１

しかし、上記公報に記載された超砥粒ホイールを用いて、ウエハ片面あるいは両面の平面研削を行った場合、非常に高品質な鏡面を得ることができたが、台金の端面に台金と同一中心の円環状に配置された超砥粒層がウエハ加工面の回転中心近傍に常に作用するため優先的に加工が進み、ウエハ加工面の回転中心に微小な凹部が発生する。その結果、凹部近傍の平坦度が低下し、半導体材料としての品質を損なう問題が新たに発生した。 以上のようなことから、本発明の目的は、加工面の平坦度向上、特にウエハ中心部における凹部発生を低減させる鏡面加工用ビトリファイドボンド超砥粒ホイールを提供することにある。

本発明の鏡面加工用ビトリファイドボンド超砥粒ホイールの第１の特徴は、カップ型ホイール台金の半径方向に対して、両側対象な角度を有する超砥粒層により構成される超砥粒ホイールにおいて、台金半径方向に対する、超砥粒層の台金外周側に開く角度αは、６０度以上１８０度以下であり、かつ、台金内周側に開く角度βは、２０度以上９０度以下であることを特徴とするものである。なお、超砥粒層の台金外周側に開く角度αは、７０度以上１２０度以下であることが好ましく、台金内周側に開く角度βは、３０度以上８０度以下であることが好ましい。

このように超砥粒層を、台金の半径方向に対して、両側対象で適切な角度の直線により構成される環状に配列すれば、ウエハ中心部における凹部発生を低減させることができるが、その傾きを過剰に小さくしすぎると、極限的には砥石幅を大きくしたことに相当するので、ホイール回転方向における研削抵抗が増大する。逆に大きくしすぎるとウエハ上で超砥粒層を擬似的に遥動させる効果が低減するため、ウエハ中央部の凹部発生が著しくなる。

第２の特徴は、超砥粒層には、前記超砥粒層の幅Wの１／１０以上１０倍以下の溝を有し、その溝は隣り合う溝同士の半径方向の位置が互いに異なるように形成されたことを特徴とするものである。

溝の幅は、好ましくは超砥粒層の幅Wの１／２倍以上８倍以下であるとさらによい。また、前記溝は隣り合う直線部同士のみならず、さらに隣の直線部の溝とも半径方向の位置が異なるほうが望ましく、さらに好ましくは、すべての直線部同士で溝の半径方向の位置が異なるほうがよい．

超砥粒層に形成された溝は、一つの直線状に複数個を配列してもよい。このようにすることで、超砥粒層同士が相互に間隔をあけて配置されて切り屑の排出性が高まる。これは、ホイール回転中心部付近から供給される冷却水が、ホイール回転中の遠心力により外周側へ拡散し、互いに間隔をあけて配置された各超砥粒層の間から放出されるためである。さらに、また、ビトリファイドボンドによる超砥粒の保持力を確保するとともに、加工中に作用面において発生する破砕や脱落した超砥粒あるいは加工屑の排出性を向上させることができ、スクラッチの発生を防止することができる。

第３の特徴は、前記超砥粒層の全作用面の面積は、超砥粒ホイールが回転することによって形成される作用面の面積に対して、２〜４０％としたことである。このようにすることで、超砥粒層の作用面の面積率を低減し、超砥粒１個あたりに作用する力を大きくするなどの制御を行うことができ、研削性を向上させることができるともに、超砥粒ホイールの自生作用を円滑に行うことができる。

なお、前記超砥粒層の全作用面積は、好ましくは５〜３０％、より好ましくは５〜２５％とするのが望ましい。このようにすることで、本発明の超砥粒ホイールは、コンティニュアスタイプの超砥粒層に対して２．５〜５０倍の加工圧力が各超砥粒層の作用面に加わることになり、切れ味の良好な状態を持続することができる。

第４の特徴は、超砥粒の平均粒径を０．１〜１０μｍとしたことである。鏡面加工用超砥粒ホイールのボンドとして、好ましいビトリファイドボンドを用いるときは、含有する超砥粒としてレジンボンド用合成砥粒が適している。レジンボンド用合成砥粒は、メタルボンド用合成砥粒やソーブレード用合成超砥粒に比較して、破砕性が高いので、ＲＤによるツルーイング・ドレッシングにより超砥粒先端に微小な切れ刃を形成させるのに特に好適である。

レジンボンド用合成ダイヤモンド砥粒として、ＧＥスーパーアブレイシブ社製では、ＲＶＭ、ＲＪＫ１、トーメイダイヤ株式会社製では、ＩＲＭ、デ・ビアース社製では、ＣＤＡなどが適用できる。ＣＢＮ砥粒としては、ＧＥスーパーアブレイシブ社製では、ＢＭＰ１、昭和電工株式会社製では、ＳＢＮＢ、ＳＢＮＴ、ＳＢＮＦなどが適用できる。

ツルーイング・ドレッシングするには、ＲＤを用いるのが能率、成形精度を考慮すると最も好ましいが、ＲＤの替わりにダイヤモンド粒度が＃３０（粒径６５０μｍ）前後で、ダイヤモンド砥粒の先端部高さのバラツキをなくしたメタルボンド砥石または電着砥石を用いることも可能である。

本発明の鏡面加工用超砥粒ホイールは、シリコン、ガラス、セラミックス、フェライト、水晶、超硬合金等、半導体材料、半導体部品、電子材料、電子部品、ウエハ等の硬脆材料を高品位に鏡面加工することができる。

図１は、本発明の超砥粒ホイールの１つの実施の形態を示す図である。図１に示すように、超砥粒ホイールは、アルミ合金等から形成されたカップ状の台金２の一方端面上に環状に超砥粒層１が固着されている。超砥粒層の厚みを規定する面、すなわち厚み方向に沿った面が、台金の端面に形成された所定幅の溝に固着されている。前記環状の曲線上に配置される超砥粒層の形状は、ぺレット状、円筒状、山形に曲げられた板状、または、それらを分割した形状を単位超砥粒層として、複数個の単位超砥粒層を配列してもよい。その場合は、台金の半径方向に対して、両側対象で適切な角度の接線を有する曲線により構成される環状の曲線上に配列すればよい。台金上に超砥粒層が配置された曲線における接線の、基台半径方向に対する最大角度は、基台外周側に開く角度については４５度以上６０度以下であり、基台内周側に開く角度については、３０度以上４５度以下にする。各超砥粒層は超砥粒ホイールの回転軸にほぼ垂直な作用面を有し、台金の中央部には回転軸を挿入するための穴が形成されている。

本発明の実施例としての超砥粒ホイールと比較例としての超砥粒ホイールについて、超砥粒層の形状と配置情報から、運動軌跡を解析するための計算モデルを作成した。各計算モデルを使用して、超砥粒層がウエハ上を通過した場合において、相互の接触距離のウエハ半径に対する分布を算出する計算を行った。計算機を用いて接触距離を計算する方法を詳細に説明する。ウエハ半径上に超砥粒層との接触を逐次追跡する点を設け、微小時間毎に接触判定を行い接触が認められた場合のみ微小時間内の超砥粒層とウエハとの相対移動距離を累積するアルゴリズムを用いて、ウエハ半径上の接触距離の分布を算出した。シリコンウエハの鏡面加工を想定し、直径３００ｍｍの円板状ウエハの工作物を回転速度４ｍｉｎ−１で回転させ、直径３５０ｍｍのカップ型ホイールを工作物と同方向に回転速度１６４０ｍｉｎ−１で回転させた。軌跡の追跡時間は６０秒間とし、その間に任意のウエハ半径上における接触距離を累積計算した。この解析の結果をウエハ半径に対する接触距離の分布として出力した場合、加工により中心部に凹部ができる現象は、解析結果では中心部が凸になる傾向として現れるので、この凸部の高さで凹部の大小を見極めることとした。

簡単のため超砥粒層は、連続的な環状をなすものとし、幅を３．８５ｍｍとした。超砥粒層は、台金の外周側と内周側に各々６箇所で角度変化する直線で構成された環上に配置される。前記角度変化については、台金半径方向に対する最大角度が、台金外周側に開く角度についてはα／２＝４５度、台金内周側に開く角度についてはβ／２＝３０度とした。本発明のホイールについて、前記の計算方法により超砥粒層とウエハとの接触距離を算出し、ウエハ半径に対する接触距離の分布として出力した。

その結果、図５に示すように、接触距離は中心部で３４．２ｍとなり、最大値は、ウエハ中心から４９．４ｍｍの位置において７７．１ｍであった。一方最小値は、ウエハ半径１５０ｍｍの位置において１８．９ｍであった。

実施例１の鏡面加工用ホイールにおいて、超砥粒層の直線部に図２に示したような溝を形成した。溝の幅Wは３ｍｍとし，溝の半径方向の位置は，隣り合う２本の直線部に形成した溝が互いに超砥粒ホイールの半径にして２０ｍｍ離れるように配置した．

その結果、図５に示すように、接触距離は中心部で３２．８ｍとなり、最大値は、ウエハ中心から４８．８ｍｍの位置において７２．３ｍであった。一方最小値は、ウエハ半径１５０ｍｍの位置において１７．１ｍであった。

比較例１

簡単のため超砥粒層は、連続的な外径３５０ｍｍの環状をなすものとし、幅を３．８５ｍ ｍとした。本比較例のホイールについて、前記の計算方法により超砥粒層とウエハとの接触距離を算出し、ウエハ半径に対する接触距離の分布として出力した。

その結果、図５に示すように、接触距離は中心部で１，７８５ｍとなり、最大値であった。一方最小値は、ウエハ半径１５０ｍｍの位置において１６．１ｍであった。このように、ウエハ中心部において接触距離が顕著に増大することにより、優先的に除去加工が進み凹部へと進展する。

本発明の超砥粒ホイールの１つの実施の形態を示した平面図である。 図１の超砥粒ホイールの超砥粒層部分を示した拡大平面図である。 従来の超砥粒ホイールの例を示した平面図である。 図５の超砥粒ホイールの超砥粒層部分を示した拡大平面図である。 実施例において、軌跡計算を行ったときの接触距離の計算結果である。

符号の説明

１ 超砥粒ホイール
２ 超砥粒層
２ａ 外周側頂部
２ｂ 内周側頂部
２ｃ 作用面
２ｄ 溝
３ 台金
３ａ 台金端面
４ 取付穴

Claims (4)

1. カップ型ホイール台金の半径方向に対して、両側対象な角度を有する超砥粒層により構成される超砥粒ホイールにおいて、
   前記超砥粒層の台金外周側に開く角度αは６０度以上１８０度以下であり、かつ、台金内周側に開く角度βは、２０度以上９０度以下であることを特徴とする、鏡面加工用カップ型超砥粒ホイール。
2. 前記超砥粒層には、前記超砥粒層の幅Wの１／１０以上１０倍以下の溝を有し、前記溝は、隣り合う溝同士の半径方向の位置が互いに異なるように形成されたことを特徴とする、請求項１記載の鏡面加工用カップ型超砥粒ホイール。
3. 前記超砥粒層の全作用面の面積は、超砥粒ホイールが回転することによって形成される作用面の面積に対して、２〜４０％であることを特徴とする、請求項１または２記載の鏡面加工用カップ型超砥粒ホイール。
4. 超砥粒の平均粒径が０．１〜１０μｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の鏡面加工用カップ型超砥粒ホイール。

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