JP2008023677A - 硬脆材料基板用ホイール型回転砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】硬度の高い材料であるサファイア等の基板外周部を安定した研削能力で高精度かつ長寿命に面取り加工が可能なホイール型回転砥石を提供する。
【解決手段】ホイール型台金１と、この台金外周面の周方向に亘り設けられたダイヤモンド砥石層２と、この砥石層表面の周方向に亘り互いに平行に設けられた断面略コ字形状を有する複数本の環状研削溝３とを備えるホイール型回転砥石であって、環状研削溝の各底面部には複数の貫通孔４が設けられ、各貫通孔の開放端にはホイール型台金の回転中心部から放射線状に設けられた研削液供給用穿孔５の開放端が接続されており、貫通孔の直径をＨ、底面部の幅寸法をＷとしたときＷ＞Ｈに設定されていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、サファイア基板やシリコンカーバイド基板を始めとする硬脆材料基板加工製品の製造時に用いられるホイール型回転砥石に係り、特に、サファイアやシリコンカーバイド等硬脆材料基板の効率的かつ高精度の外周部面取り加工を可能とし、更にその砥石寿命も延長できる硬脆材料基板用ホイール型回転砥石の改良に関するものである。

サファイア基板やシリコンカーバイド基板は、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。特に、サファイア基板における白色ＬＥＤ市場は、今後大きく成長すると考えられている。以下、参考のために単結晶インゴットからウェハー（基板）へ加工する際の一般的プロセスを説明する。

まず、任意の育成法で製造された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ェ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、円筒研削加工によりインゴットの外径がスライスして得られるウェハーの外径になるように調整する。次に、ウェ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、次いでウェ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ェハーを多数枚切り出す。

その後、スライスされたウェハーに対して更に種々の加工が施される。すなわち、ウェハー外周研削加工によりウェハーの側面を所望の形状に加工する。次に、ウェハー表面研削加工によりウェ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等の基板が得られる。

ところで、基板加工の一部であるスライス加工後の上述したウェハー（基板）外周研削加工は、一般的にホイール型回転砥石と呼ばれる砥石を高速回転させ、このホイール型回転砥石をウェハー（基板）の外周部に押し当てると共に、ホイール型回転砥石の外側側面から研削液を供給しながら行われ、ウェハー（基板）の端面を研削し、外形を調整、面取り加工を施す工程である。そして、この面取り加工は、後工程における基板外周部のチッピングを防止するための重要な工程であり、また、製品となった後も、面取り加工を施すことで、エピタキシャル成長過程での基板の割れ、チッピングを防止する効果もある。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、大口径化の進展に伴い、基板外周部のチッピング、基板自体の割れはより深刻な問題となってくる。このため、後工程において必要とする品質を満たす上記外周研削加工が望まれている。

このようなウェハー（基板）外周研削加工に適用される上記ホイール型回転砥石は、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように円盤状のホイール型台金１と、ホイール型台金１外周面の周方向に亘り設けられかつダイヤモンド砥粒が適用されたダイヤモンド砥石層２と、ダイヤモンド砥石層２表面の周方向に亘り互いに平行に設けられた断面略コ字形状を有する複数本の環状研削溝３とでその主要部が構成されている。また、ダイヤモンド砥石層の性能は、ダイヤモンド砥粒の粒度、砥粒を保持するための結合材の種類、結合の強さ、ダイヤモンド砥石層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、一般に、ホイール型回転砥石を用いてのウェハー（基板）外周研削加工については、上述した砥粒、結合材等の性質や種類だけではなく、砥石層の形状等にも影響されることが知られている（特許文献１）。特に、サファイアやシリコンカーバイドのような硬脆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ホイール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、サファイアやシリコンカーバイドのような硬脆材料ではその硬度がダイヤモンドに近いため、目的とする研削面の状態に適合した性能を具備するホイール型回転砥石を用いたとしても、そのダイヤモンド砥石層の寿命が短く、工業的にはコストを増加させる一因になっている。また、サファイアやシリコンカーバイドのような硬脆材料の基板外周研削加工では加工状態が不安定となり、数十枚程度で外周研削加工ができなくなってしまう問題を有していた。
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、サファイアやシリコンカーバイド等硬脆材料基板の効率的かつ高精度の外周部面取り加工を可能とし、更にその砥石寿命も延長できる硬脆材料基板用ホイール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やシリコンカーバイドのような硬脆材料基板の外周研削加工に用いるホイール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、上記硬脆材料基板の外周研削加工に適したホイール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、
ホイール型台金と、ホイール型台金外周面の周方向に亘り設けられかつダイヤモンド砥粒が適用されたダイヤモンド砥石層と、ダイヤモンド砥石層表面の周方向に亘り互いに平行に設けられた断面略コ字形状を有する複数本の環状研削溝とを備える硬脆材料基板用ホイール型回転砥石を前提とし、
上記環状研削溝の各底面部には周方向に亘り間隔を介してホイール型台金側へ伸びる複数の貫通孔が設けられ、かつ、各貫通孔におけるホイール型台金側の開放端にはホイール型台金の回転中心部から半径方向へ向け放射線状に複数設けられた研削液供給用の導管若しくは穿孔の開放端が接続されていると共に、上記貫通孔の直径をＨ、環状研削溝における底面部の幅寸法をＷとしたとき、Ｗ ＞ Ｈに設定されてい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記載の発明に係る硬脆材料基板用ホイール型回転砥石を前提とし、
上記環状研削溝の各底面部には周方向に亘り間隔を介し４個以上の貫通孔が設けられていることを特徴とするものである。

本発明に係る硬脆材料基板用ホイール型回転砥石によれば、
環状研削溝の各底面部には周方向に亘り間隔を介してホイール型台金側へ伸びる複数の貫通孔が設けられ、かつ、各貫通孔におけるホイール型台金側の開放端にはホイール型台金の回転中心部から半径方向へ向け放射線状に複数設けられた研削液供給用の導管若しくは穿孔の開放端が接続されていることから上記導管若しくは穿孔を介し環状研削溝の各底面部に十分な量の研削液を供給することができ、更に、上記貫通孔の直径Ｈが環状研削溝における底面部の幅寸法Ｗより小さく設定されていることから、基板の外周面が上記貫通孔の開放端により傷つけられることもなくかつ外周部面取り後の基板形状が指定の形状に加工できないこともない。

このため、硬脆材料であるサファイアやシリコンカーバイド等の硬度の高い基板であっても、高精度な外周部面取り加工を安定した研削能力で高効率に行うことが可能となり、更に、ホイール型回転砥石の寿命が延び、ホイール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も低減できる。

従って、サファイアやシリコンカーバイド加工製品を製造するに際し、製造納期の短縮、加工に要する緒コストの低減が図れる効果を有している。

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２（Ａ）は本発明に係るホイール型回転砥石の平面図、図２（Ｂ）はその断面図、図３は図２（Ｂ）の部分拡大図である。

まず、ホイール型回転砥石を用いて外周研削を行う場合、一般的にはホイール型回転砥石の外側側面から研削液が供給される。このような研削液の供給方法は、被研削物の基板材料が比較的軟らかいものである場合で、かつ、外周研削を行いながら研削液が基板と砥石の接触面に供給しやすい場合にのみ有効な方法である。

しかし、ダイヤモンドと同程度の硬度を有するサファイアやシリコンカーバイドのような硬脆材料基板では、ホイール型回転砥石のダイヤモンド砥粒層と被研削物であるサファイアやシリコンカーバイドとを強い力で接触させる必要があるため、接触部分で大量の摩擦熱が発生する。そして、ホイール型回転砥石の外側側面から研削液を供給する従来の供給方法では、大量に発生した上記摩擦熱を開放させることが困難となり、この結果、外周研削加工状態が不安定となって基板数十枚程度で外周研削加工ができなくなり、更に、ホイール型回転砥石がダメージを受けてその砥石寿命が極端に短くなる問題を有していた。

そこで、本発明者等は従来とは異なる研削液の供給方法を開発し、大量に発生する摩擦熱を効率的に開放させる新規構造のホイール型回転砥石を完成するに至った。

すなわち、この実施の形態に係るホイール型回転砥石は、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように円盤状のホイール型台金１と、ホイール型台金１外周面の周方向に亘り設けられかつダイヤモンド砥粒が適用されたダイヤモンド砥石層２と、ダイヤモンド砥石層２表面の周方向に亘り互いに平行に設けられた断面略コ字形状を有する複数本の環状研削溝３とでその主要部が構成されており、上記環状研削溝３の各底面部３０には周方向に亘り間隔を介してホイール型台金１側へ伸びる複数、好ましくは４個以上の貫通孔４が設けられ、かつ、各貫通孔４におけるホイール型台金１側の開放端にはホイール型台金１の回転中心部から半径方向へ向け放射線状に複数穿設された研削液供給用の穿孔５の開放端が接続されている。

また、上記貫通孔４の直径をＨ、環状研削溝３における底面部３０の幅寸法をＷとしたとき、被研削物である硬脆材料基板の外周面が貫通孔４の開放端で傷つけられないようにするため、および、外周部面取り後の基板形状が指定の形状に加工できるようにするため、図３に示すように上記貫通孔４の直径Ｈが環状研削溝３における底面部３０の幅寸法Ｗより小さくなるように設定されている。

このような構造を有する本発明のホイール型回転砥石においては、上記穿孔５と貫通孔４を介して環状研削溝３の各底面部３０に十分な量の研削液が安定的かつ効率よく供給されるため、サファイアやシリコンカーバイドのような硬脆材料基板の外周を研削するダイヤモンド砥石層２の切れ味が向上すると共に、大量に発生した上述の摩擦熱も効率的に開放されて高精度な外周部面取り加工を安定した研削能力で高効率に行うことが可能となり、更に、砥石寿命も従来より延長させることが可能となる。

尚、図２（Ａ）に示されたホイール型回転砥石においては円盤状のホイール型台金１が用いられているが、円盤状に代えて車輪状のホイール型台金を用いてもよい。この場合、上記穿孔５に代えて、ホイール型台金１の回転中心部から半径方向へ向け放射線状に設けた複数の導管（パイプ）で構成してもよい。

以下、本発明について実施例を挙げて詳細に説明するが、本発明の技術的内容がこの実施例によって限定されるものではない。

図２（Ａ）（Ｂ）に示した本発明に係るホイール型回転砥石と、図１（Ａ）（Ｂ）に示した従来例に係るホイール型回転砥石とを用いその研削性能の差異を比較した。

尚、本発明に係るホイール型回転砥石と従来例に係るホイール型回転砥石の共通な仕様は、ホイール型台金１の材質がアルミニウム、ホイール型台金１の外周直径が３００ｍｍ、砥石層２の砥粒はダイヤモンド、結合材はメタルボンドタイプとした。

また、本発明に係るホイール型回転砥石においてホイール型台金１に穿設されかつ図２（Ａ）（Ｂ）に示す１つの環状研削溝３に対応した穿孔５の数は１６個（すなわち、１つの環状研削溝における研削液の供給経路は１６箇所）、穿孔５とこれに連通する貫通孔４の直径は０．６ｍｍとし、上記穿孔５とこれに連通する貫通孔４からのみ研削液が供給される方式と、この供給に加えてホイール型回転砥石の外側側面からも研削液が供給される方式の２種類を実施した。

また、研削する材料は、結晶方位がｃ軸となるようにスライスされた３インチ径のサファイア基板とし、研削条件は、ホイール型回転砥石の回転数を１５００ｒｐｍ、サファイア基板外周部に対する一回の切り込み量を８０μｍとし、研削を３回繰り返す（２４０μｍ／枚）ごとに研削量、すなわち基板直径を実測して不当たりの有無を確認した。

一般にダイヤモンド砥粒が適用されたホイール型回転砥石を連続使用した場合、その研削性は徐々に劣化し、最終的には全く研削できなくなる。このような状態になったホイール型回転砥石を用いて外周研削を行った場合、当然、研削後の基板直径は研削前と変わらない状態となる。このような状態を不当たりと呼び、連続加工を行った際、不当たりが発生する枚数を砥石の寿命と考えることができる。

そこで、従来例に係るホイール型回転砥石（従来回転砥石）を１個、本発明に係る２種類の方式（本発明の砥石、本発明の砥石＋研削液外側側面供給）で実施するホイール型回転砥石をそれぞれ１個用意し、不当たり発生までの枚数を確認した。尚、各ホイール型回転砥石において４つの環状研削溝を個別に使用して不当たりの有無を確認している。

この結果を以下の表１に示す。

「確認」
表１から、従来例に係るホイール型回転砥石と比較して、本発明に係るホイール型回転砥石においては不当たり発生までの枚数が大きく増大していることが確認される。

特に、穿孔５と貫通孔４からの研削液に加えてホイール型回転砥石の外側側面からも研削液を加えた本発明のホイール型回転砥石（本発明の砥石＋研削液外側側面供給）においては不当たり発生までの枚数が飛躍的に増大していることが確認される。

本発明に係る硬脆材料基板用ホイール型回転砥石によれば、サファイアのような硬脆材料基板に対して、安定した研削能力で、高精度かつ長寿命に面取り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やシリコンカーバイド基板の製造に好適に適用される。

図１（Ａ）は従来例に係るホイール型回転砥石の平面図、図１（Ｂ）はその断面図。 図２（Ａ）は本発明に係るホイール型回転砥石の平面図、図２（Ｂ）はその断面図。 図２（Ｂ）の部分拡大図

符号の説明

１ ホイール型台金
２ ダイヤモンド砥石層
３ 環状研削溝
４ 貫通孔
５ 穿孔
３０ 底面部
Ｗ 底面部３０の幅寸法
Ｈ 貫通孔の直径

Claims (2)

1. ホイール型台金と、ホイール型台金外周面の周方向に亘り設けられかつダイヤモンド砥粒が適用されたダイヤモンド砥石層と、ダイヤモンド砥石層表面の周方向に亘り互いに平行に設けられた断面略コ字形状を有する複数本の環状研削溝とを備える硬脆材料基板用ホイール型回転砥石において、
   上記環状研削溝の各底面部には周方向に亘り間隔を介してホイール型台金側へ伸びる複数の貫通孔が設けられ、かつ、各貫通孔におけるホイール型台金側の開放端にはホイール型台金の回転中心部から半径方向へ向け放射線状に複数設けられた研削液供給用の導管若しくは穿孔の開放端が接続されていると共に、上記貫通孔の直径をＨ、環状研削溝における底面部の幅寸法をＷとしたとき、Ｗ ＞ Ｈに設定されていることを特徴とする硬脆材料基板用ホイール型回転砥石。
2. 上記環状研削溝の各底面部には周方向に亘り間隔を介し４個以上の貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の硬脆材料基板用ホイール型回転砥石。

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