JP2006315136A - サファイア研削用カップ型回転砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】 硬度の高い材料であるサファイアを安定した研削能力で、高精度かつ高効率に平面研削できるサファイア研削用カップ型回転砥石を提供すること。
【解決手段】 カップ型台金12のリング状取り付け面11にダイヤモンド砥粒が適用されたセグメント13を取り付け面の周方向に亘り隙間を介し複数個取り付けたカップ型回転砥石10であって、各セグメントの外周縁部13aと内周縁部13bおよび周方向両端部13c、13dとで囲まれる面積の合計をＡ、隣接するセグメントの相対向する周方向端部13c、13dと各端部の角部をそれぞれ結ぶ外周線部14aおよび内周線部14bとで囲まれる各円弧形状隙間部14における面積の合計をＢとしたとき、セグメントの合計面積Ａに対する円弧形状隙間部における合計面積Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が５０％以上２００％以下であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サファイア基板を始めとするサファイア加工製品の製造時に用いられるカップ型回転砥石に係り、特に、サファイアの効率的かつ高精度の研削加工を可能とするサファイア研削用カップ型回転砥石の改良に関するものである。

サファイアは、近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長用基板を始めとして幅広く用いられている材料である。

サファイア基板を製造するには、まず、リボン結晶育成法（ＥＦＧ法）やチョクラルスキー法（ＣＺ法）等によって単結晶インゴットを作製し、次いで、単結晶インゴットを加工して任意の結晶方位を表面に持ったウエハー形状の基板を得る方法が一般的である。

ここで、参考のために、単結晶インゴットから基板へ加工する際の一般的なプロセスを説明する。

まず、単結晶インゴットの頭部および底部は所望の結晶方位に調整された高精度の平面に加工される。この平面は、後に行われる円筒研削やウエハーへスライスする際の基準面になるため、Ｘ線によって結晶方位の微調整を行いながら高精度の平坦な面に加工されることが必要となる。

そして、高精度に加工された平坦な面を基準面とし、インゴットの外径について円筒研削加工によりスライスされるウエハーの外径に調整する。次に、ウエハーの結晶方位や表裏を識別するために利用されるオリエンテーションフラット等切り欠き形状に加工するため、円筒研削されたインゴットをオリエンテーションフラット加工し、次いでウエハースライス加工によりインゴットから所望の厚さのウエハーを多数枚切り出す。

その後、スライスされたウエハーに対して更に種々の加工が施される。すなわち、ウエハー外周研削加工によりウエハーの側面を所望の形状に加工する。次に、ウエハー表面研削加工によりウエハーの厚さ調整や平行度、平坦度等の加工精度が得られる。

最後に、表面鏡面仕上げ加工および洗浄処理により平坦で歪やキズのない清浄な表面状態に加工され、窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長に適したサファイア基板が得られる。

ところで、サファイアのような高硬度の材料を加工するためには、一般的にダイヤモンド砥粒を用いた加工法が適用される。例えば、サファイアインゴットの頭部および底部を切断加工するには、砥粒層にダイヤモンドを用いた外周刃切断機や内周刃切断機を用いることが出来る。しかし、サファイアのような高硬度の材料では、例えダイヤモンド砥粒刃を用いたとしてもまっすぐに切断することが困難なためゆらぎを生じ、後工程において必要とする品質を満たす平坦な切断面を得ることは非常に困難である。また、切断速度も非常に低く設定する必要があるため、Ｘ線による方位精度調整を繰り返しながら切断を繰り返す工程には膨大な時間と労力を要す。

このため、後工程において必要とする品質を満たす平坦な面を得るには、外周刃や内周刃で切断した切断面を平面研削加工によって再加工することが必要となる。この目的のための平面研削装置としてカップ型回転砥石が用いられる。すなわち、このカップ型回転砥石を高速で回転させ、研削液を供給しながら被研削材であるサファイア切断面に一定の切り込み量で回転するカップ砥石を押し付け、相対的な移動を繰り返すことによって高精度な平面研削加工を行う。

この平面研削加工は、サファイアインゴットの頭部および底部の平面研削加工だけでなく、円筒研削後のオリエンテーションフラット加工にも用いられる。更に、インゴットからスライスされたウエハーを高精度の平面に仕上げる加工にも用いることができ、サファイア基板の製造において平面研削加工は重要な加工と言える。

特に、現在２インチが主流である窒化物系化合物半導体成長用のサファイア基板に関しては、今後、３インチや４インチへの大口径化が進むことは確実で、より大面積な領域を安定かつ効率を損なうことなく高精度に平面研削する必要性が高まっている。

このような平面研削装置に適用されるカップ型回転砥石は、カップ型台金とこのカップ型台金のリング状取り付け面に連続的または間欠的に取り付けられたセグメントと呼ばれる砥石部とでその主要部が構成されている。

上記セグメントの種類は、ダイヤモンドやアルミナ等の砥粒の材質、砥粒の粒度、砥粒を保持するための結合材の種類、結合の強さ（結合度）、砥石部（セグメント）に砥粒が存在する堆積の割合を示す集中度等の数多くの要素の組み合わせにより決められる。

このようなカップ型回転砥石の性能は、上記セグメントの種類だけでなく、セグメントの配置や形状等によっても大きく影響されることが知られている（特許文献１参照）。

特に、サファイアのような硬度の高い材料を研削加工するには、目的とする研削面の状態に適合した性能を具備するカップ型回転砥石を用いることが必要となる（特許文献２参照）。

しかし、硬度の高い材料であるサファイアを被研削材とし、上述した目的のために行う高精度平面研削に適したカップ型回転砥石の仕様に関し現状では明確になっていない。このため、研削能力が不安定で再現性に乏しく、研削能力が不充分で仕上がり面の平坦性が悪いことから凸状になり易く、この凸形状を修正するために切り込み量を小さくして何度も研削を繰り返す必要がある等、高精度の研削面を得るための効率が非常に悪いという問題点を有している。
特開平１１−２０７６３４号公報（第１項、第２項） 特開平０５−２８５８４３号公報（第１項）

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、硬度の高い材料であるサファイアを安定した研削能力で、高精度かつ高効率に平面研削できるサファイア研削用カップ型回転砥石を提供することにある。

そこで、上記課題を解決するため本発明者等がサファイアの平面研削加工に用いるカップ型回転砥石の仕様と研削性との関係について鋭意研究を重ねた結果、サファイアの平面研削加工に適したカップ型回転砥石の新規な要件を見出すに至った。

すなわち、請求項１に係る発明は、
カップ型台金のリング状取り付け面に、ダイヤモンド砥粒が適用されたセグメントを上記取り付け面の周方向に亘り隙間を介し複数個取り付けたカップ型回転砥石を前提とし、
各セグメントの外周縁部と内周縁部および周方向両端部とで囲まれる面積の合計をＡ、隣接するセグメントの相対向する周方向端部と各端部の角部をそれぞれ結ぶ外周線部および内周線部とで囲まれる各円弧形状隙間部における面積の合計をＢとしたとき、
セグメントの合計面積Ａに対する円弧形状隙間部における合計面積Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が５０％以上２００％以下であることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係るサファイア研削用カップ型回転砥石を前提とし、
各セグメントにおけるダイヤモンド砥粒の集中度を５０以下とすることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２記載の発明に係るサファイア研削用カップ型回転砥石を前提とし、
各セグメントにおけるダイヤモンド砥粒の結合材がメタルボンドで構成され、その結合度がＨ（ＪＩＳ表示）よりも硬いことを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３記載の発明に係るサファイア研削用カップ型回転砥石を前提とし、
各セグメントにおけるダイヤモンド砥粒の粒度が＃１００〜＃２２０であることを特徴とするものである。

本発明に係るサファイア研削用カップ型回転砥石によれば、
各セグメントの外周縁部と内周縁部および周方向両端部とで囲まれる面積の合計をＡ、隣接するセグメントの相対向する周方向端部と各端部の角部をそれぞれ結ぶ外周線部および内周線部とで囲まれる各円弧形状隙間部における面積の合計をＢとしたとき、
セグメントの合計面積Ａに対する円弧形状隙間部における合計面積Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が５０％以上２００％以下になっているため、
硬度の高い材料であるサファイアであっても、高精度な平面研削を安定した研削能力で高効率に行うことが可能となり、カップ型回転砥石のドレッシングや交換といった工期およびコストの増加要因を低減できる効果を有する。

従って、サファイア加工製品の製造に対して、製造納期の短縮、加工に要する緒コストの低減が可能となるためその工業的価値は極めて大きい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

尚、図１は、本発明の実施の形態に係るサファイア研削用カップ型回転砥石をその開放側に位置するリング状取り付け面を上側にして見たサファイア研削用カップ型回転砥石の平面図である。

すなわち、この実施の形態に係るサファイア研削用カップ型回転砥石１０は、その開放側にリング状取り付け面１１を有するカップ型台金１２と、ダイヤモンド砥粒が適用されかつ上記取り付け面１１の周方向に亘り隙間を介して取り付けられた８個のセグメント１３とでその主要部が構成されている。

そして、このサファイア研削用カップ型回転砥石１０においては、各セグメント１３の外周縁部１３ａと内周縁部１３ｂおよび周方向両端部１３ｃ、１３ｄとで囲まれる面積の合計をＡ、隣接するセグメント１３、１３の相対向する周方向端部１３ｃ、１３ｄと各端部１３ｃ、１３ｄの角部をそれぞれ結ぶ外周線部１４ａおよび内周線部１４ｂ（図１においてそれぞれ破線で示す）とで囲まれる各円弧形状隙間部１４における面積の合計をＢとしたとき、セグメント１３の合計面積Ａに対する円弧形状隙間部１４における合計面積Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が５０％以上２００％以下に設定されていることを特徴としている。

尚、図１中、符号１１ａはリング状取り付け面１１の外周縁部、符号１１ｂはリング状取り付け面１１の内周縁部、符号１４ｃはセグメント１３間の間隔、符号１５はカップ型回転砥石１０の回転軸中心をそれぞれ示している。

ところで、このようなタイプのカップ型回転砥石では、一般にカップ型台金１２のリング状取り付け面１１に取り付けられるセグメント１３とセグメン１３の間の隙間は、対象物の加工に寄与するセグメント部の面積が大きいほど加工効率や精度が良いと考えられていたためなるべく小さな面積の隙間とし、セグメント部の面積を大きくするように設計されていた。但し、隙間をゼロとし、カップ型台金１２のリング状取り付け面１１に切れ目無くセグメントを配置した場合、研削加工時に供給される研削液が加工部分へ充分に供給、また排出されるのを妨げるため好ましくないとされていた。

しかし、本発明者等の研究から、切削液の供給、排出目的で設けられている上記隙間の面積が、研削液の供給や排出を始めとする様々なカップ型回転砥石の性能において切削能力や加工精度に大きな影響を与え、特に、サファイアのような高硬度の材料の平面研削加工においては上記隙間を５０％以上と従来よりも大きな面積とすることが非常に有効であることを見出すに至り、本発明は完成されている。

また、このようなカップ型回転砥石に用いられるセグメントは、サファイアのような高硬度材料を研削するため、サファイアより硬度の高いダイヤモンド砥粒を用いることが一般的であるが、セグメントの砥粒層中に砥粒がどれだけ含まれているかを表す指標である集中度に関しては５０以下であることが好ましく、より好ましくは２０〜４０がよい。集中度が２０未満であるとセグメントの砥粒層にかかる負担が大きくなり、磨耗速度が大きくなって本発明の効果を十分に発揮できなくなる場合がある。また、集中度が５０を超えた場合、高価なダイヤモンド砥粒を大量に使うだけでコスト増となるに過ぎないため、５０以下であることが好ましい。

また、上記セグメントにおいてダイヤモンド砥粒を保持するのに用いられる結合材はメタルボンド形式のものが好ましく、結合材の硬さをあらわす結合度は、ＪＩＳ規格でＨ以上であることが好ましい。結合材が、例えばレジノイドのような樹脂を主体としたものであると、弾力性があるためサファイアのような高硬度材料の加工の際には砥粒が逃げてしまい、研削性が低下して本発明の効果を十分に発揮できなくなる場合がある。

また、本発明に係るサファイア研削用カップ型回転砥石を用いた平面研削加工では、加工によって仕上がる表面の粗さは鏡面状に仕上げられる必要性は小さく、Ｘ線による方位測定や基準面として使用に耐え得る表面粗さでよいため、セグメントを構成するダイヤモンド砥粒の粒度は＃１００〜＃２２０であることが好ましい。粒度をこれよりも小さくした場合、研削加工効率の低下をまねくだけであり、また、粒度を大きくした場合、砥粒の磨耗によりかえって研削性が落ちてすべりを生じ、そのため加工歪の深さを著しく増大させＸ線による方位測定精度を低下させる等、本発明の効果を十分に発揮できなくなる場合がある。

尚、本発明に係るカップ型回転砥石において、カップ型回転砥石の形状や大きさによってその効果が変わるものではなく、また、カップ型回転砥石の直径、セグメント１３の幅、取り付けられるセグメントの数等によって限定されるものではない。また、カップ型回転砥石を構成するカップ型台金１２の材質も、従来からカップ型回転砥石に用いられているものであれば良い。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこの実施例によってなんら限定されるものではない。

表１に示されたセグメント間のすきまの割合（Ｂ／Ａ）（％）、セグメントの材質（集中度、結合度、ダイヤモンド砥粒の粒度）、および、図１に示す形状のカップ型回転砥石（カップ砥石番号１〜６）を作製し、従来、サファイア加工に用いていた従来例に係るカップ型回転砥石（カップ砥石番号７）と共にサファイア平面研削試験を行い、研削能力およびその安定性、平坦度を比較した。

また、これ等比較に用いたカップ型回転砥石の共通な仕様は、カップ型台金１２の材質：アルミニウム、リング状取り付け面１１の外周縁径：１５２ｍｍ、リング状取り付け面１１の内周縁径：１２８ｍｍ、セグメント１３の外周縁径：１５０ｍｍ、セグメント１３の内周縁径：１３０ｍｍ（セグメント幅１０ｍｍ）、セグメント１３の取り付け総数は８個、セグメントの砥粒はダイヤモンドで、結合材はメタルボンドタイプとした。

研削する材料は、結晶方位がｃ軸となるように端面が予め研削された円筒状で３インチ径のサファイア単結晶インゴット端面とした。

研削条件は、砥石回転数３８００ｒｐｍとし、被研削端面に対するカップ型回転砥石の相対的移動速度を１８０ｍｍ／ｍｉｎとし、一回の切り込み量を１０μｍとして研削を５００回繰り返した場合の研削面の平坦度（すなわち研削能力不足によって生じる研削面の凸状態の量）を測定することによって評価した。

「確 認」
（１）請求項１、２、３、４全ての要件を満たすカップ砥石番号１、２のカップ型回転砥石では、従来例に係るカップ型回転砥石（カップ砥石番号７）の平坦度（６７μｍ）と較べて非常に良好な結果（平坦度：２３μｍ、１８μｍ）が得られていることが確認される。
（２）また、セグメント間のすきまの割合（Ｂ／Ａ）が１０％に設定された（請求項２、３、４の要件を具備するが請求項１における５０％以上の要件を満たしていない）比較例に係るカップ型回転砥石（カップ砥石番号３）では、従来例に係るカップ型回転砥石（カップ砥石番号７）との比較においては良い結果（平坦度：４０μｍ）を示しているが、請求項１の要件を具備する他のカップ型回転砥石（カップ砥石番号１、２、４、５、６）との比較においては最も悪い結果になっており、セグメント間のすきまの割合（Ｂ／Ａ）を５０％以上２００％以下とする請求項１の要件が最も重要であることが確認される。
（３）同様に、集中度を７５とした（請求項１、３、４の要件を具備するが請求項２における集中度５０以下の要件を満たしていない）カップ砥石番号４のカップ型回転砥石ではその平坦度が３１μｍであり、従来例ならびに比較例に係るカップ型回転砥石との比較においては良好であるが、カップ砥石番号１、２のカップ型回転砥石との比較においては若干劣っていることが確認される。
（４）また、メタルボンドを結合材としたときの結合度がＥ（ＪＩＳ表示）である［請求項１、２、４の要件を具備するが請求項３における結合度がＨ（ＪＩＳ表示）よりも硬いという要件を満たしていない］カップ砥石番号５のカップ型回転砥石ではその平坦度が２８μｍであり、従来例ならびに比較例に係るカップ型回転砥石との比較においては良好であるが、カップ砥石番号１、２のカップ型回転砥石との比較においては若干劣っていることも確認される。
（５）更に、ダイヤモンド砥粒の粒度が＃３２０である（請求項１〜３の要件を具備するが請求項４の上記粒度が＃１００〜＃２２０という要件を満たしていない）カップ砥石番号６のカップ型回転砥石ではその平坦度が３５μｍであり、従来例ならびに比較例に係るカップ型回転砥石との比較においては良好であるが、カップ砥石番号１、２のカップ型回転砥石との比較においては若干劣っていることが確認される。
（６）このように請求項１の要件を具備するカップ型回転砥石を適用した場合、その平坦度３５μｍ以下を達成することが可能となり、また、請求項１、２、３、４全ての要件を具備するカップ型回転砥石を適用した場合にはその平坦度２５μｍ以下を達成することが可能となる。従って、本発明に係るカップ型回転砥石はサファイアの平面研削用に適していることが確認される。

本発明に係るサファイア研削用カップ型回転砥石によれば、サファイアのような高硬度材料に対して、安定性に優れ、かつ、研削効率が高く高精度の平面研削加工を行うことができる。従って、例えば、窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長に用いられる高精度の加工が必要とされるサファイア基板の製造に好適に適用される。

本発明の実施の形態に係るサファイア研削用カップ型回転砥石の平面図。

符号の説明

１０ カップ型回転砥石
１１ リング状取り付け面
１１ａ リング状取り付け面の外周縁部
１１ｂ リング状取り付け面の内周縁部
１２ カップ型台金
１３ セグメント
１３ａ セグメントの外周縁部
１３ｂ セグメントの内周縁部
１３ｃ セグメントの周方向端部
１３ｄ セグメントの周方向端部
１４ 円弧形状隙間部
１４ａ 円弧形状隙間部の外周線部
１４ｂ 円弧形状隙間部の内周線部
１５ カップ型回転砥石の回転軸中心

Claims (4)

1. カップ型台金のリング状取り付け面に、ダイヤモンド砥粒が適用されたセグメントを上記取り付け面の周方向に亘り隙間を介し複数個取り付けたカップ型回転砥石において、
   各セグメントの外周縁部と内周縁部および周方向両端部とで囲まれる面積の合計をＡ、隣接するセグメントの相対向する周方向端部と各端部の角部をそれぞれ結ぶ外周線部および内周線部とで囲まれる各円弧形状隙間部における面積の合計をＢとしたとき、
   セグメントの合計面積Ａに対する円弧形状隙間部における合計面積Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が５０％以上２００％以下であることを特徴とするサファイア研削用カップ型回転砥石。
2. 各セグメントにおけるダイヤモンド砥粒の集中度を５０以下とすることを特徴とする請求項１記載のサファイア研削用カップ型回転砥石。
3. 各セグメントにおけるダイヤモンド砥粒の結合材がメタルボンドで構成され、その結合度がＨ（ＪＩＳ表示）よりも硬いことを特徴とする請求項１または２記載のサファイア研削用カップ型回転砥石。
4. 各セグメントにおけるダイヤモンド砥粒の粒度が＃１００〜＃２２０であることを特徴とする請求項１、２または３記載のサファイア研削用カップ型回転砥石。

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