JP2008036771A - 硬脆材料基板用ホイール型回転砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイアやシリコンカーバイド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、ホイール型台金の外周面に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を備える硬脆材料基板用ホイール型回転砥石であって、ダイヤモンド砥石層２がセグメント構造になっており、各セグメント３の長さａの合計長をＡ、各セグメント間に設けられる隙間部４の長さｂの合計長をＢとしたとき、比率（Ｂ／Ａ）が０より大きいことを特徴とする。
【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、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す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。

サファイア基板やシリコンカーバイド基板を製造するには、まず、リボン結晶育成法（ＥＦＧ法）、チョクラルスキー法（ＣＺ法）あるいは昇華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、サファイアやシリコンカーバイドのような硬脆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できる。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、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。更に、サファイアやシリコンカーバイドの硬度はダイヤモンドに近く、砥石寿命が短く、工業的にはコストを増加させる一因となっている。

また、基板加工の一部であるスライス加工後の基板材料外周部を面取りする工程は、ホイール型回転砥石を用いて行うことができる。この面取り工程は、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る。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安価な外周部研削加工が望まれている。

このような基板材料外周部の研削加工に適用される上記ホイール型回転砥石は、ホイール型台金と、ホイール型台金の外周面に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でその主要部が構成されている。

ところで、砥石層の種類は、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、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る。一般に、ホイール型回転砥石を用いての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、硬脆材料であるサファイアやシリコンカーバイドを被研削材としかつ上述した目的のために行う基板外周部の研削に適したホイール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、研削能力が不十分で数十枚程度の研削加工で全く研削できなくなる等の問題点を有していた。
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、硬脆材料であるサファイアやシリコンカーバイド等の基板外周部を、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部面取り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部面取り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、ホイール型台金の外周面に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、
上記ダイヤモンド砥石層がセグメント構造になっており、各セグメントの合計長さをＡ、各セグメント間に設けられる隙間部の合計長さをＢとしたとき、セグメントの合計長Ａに対する隙間部の合計長Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が０より大きいことを特徴とする。

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、
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記載の発明に係る硬脆材料基板用ホイール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）よりも柔らかいことを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３記載の発明に係る硬脆材料基板用ホイール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〜＃６００であ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、
ダイヤモンド砥石層がセグメント構造になっており、各セグメントの合計長さをＡ、各セグメント間に設けられる隙間部の合計長さをＢとしたとき、セグメントの合計長Ａに対する隙間部の合計長Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が０より大きくなっている。

そして、セグメント構造に基づく隙間部の存在により切削液の供給、排出が効率よく行われるようになるため、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は本発明に係るホイール型回転砥石の平面図である。

まず、この実施の形態に係るホイール型回転砥石は、図２に示すようにホイール型台金１と、ホイール型台金１の外周面に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とでその主要部が構成されている。そして、上記ダイヤモンド砥石層２がセグメント構造になっており、各セグメント３の長さをａ、その合計の長さをＡ、各セグメント３間に設けられる隙間部４の長さをｂ、その合計の長さをＢとしたとき、セグメント３の合計長Ａに対する隙間部４の合計長Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が０より大きくなっていることを特徴としている。

ところで、この種のホイール型回転砥石において、ホイール型台金１の外周面に設けられたダイヤモンド砥石層２は、対象物の加工に寄与するダイヤモンド砥石層２の面積が大きいほど加工効率や精度が良いと一般的に考えられていたため、図１に示すようにホイール型台金１の全周に亘ってダイヤモンド砥石層２が設けられた構造になっており、上記隙間部は設けられていなかった。

しかし、本発明者等の研究から、上記ダイヤモンド砥石層２をセグメント構造にすることで、切削液の供給、排出が効率よく行われるようになり、特に硬脆材料であるサファイアやシリコンカーバイド等の基板の外周部研削加工においては、ダイヤモンド砥石層２がホイール型台金１の全周に亘って設けられた従来のホイール型回転砥石と較べ効率よく研削加工を行えることが見出されている。

また、このホイール型回転砥石においては、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するためこれ等材料より硬度の高いダイヤモンド砥粒が適用されている。そして、セグメント構造のダイヤモンド砥石層２中にダイヤモンド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構造のダイヤモンド砥石層２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、セグメント構造のダイヤモンド砥石層２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以下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やシリコンカーバイドのような硬脆材料の加工の際にはダイヤモンド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、本発明に係るホイール型回転砥石を用いた外周部面取り加工では、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、セグメント構造のダイヤモンド砥石層２を構成するダイヤモンド砥粒の粒度は＃１００〜＃６００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、かえってチッピング等の不具合を増加させる場合がある。

尚、本発明に係るホイール型回転砥石においては、ホイール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、ホイール型回転砥石の直径、セグメント３の個々の長さ、取り付けられるセグメント３の数等によって限定されるものでもない。更に、ホイール型回転砥石を構成するホイール型台金１の材質に関しても、従来からホイール型回転砥石に用いられているものであれば適用できる。

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に示した本発明に係るホイール型回転砥石と、図１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、セグメント３の取り付け総数は８個で、セグメントの合計長Ａに対する隙間部の合計長Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が５％と５０％の２種類とした。

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８００ｒｐｍ、サファイア基板外周部に対する一回の切り込み量を８０μｍとして、研削を６回繰り返すごとに研削量を実測することで評価した。

この結果を図３〜図５のグラフ図に示す。図３〜図５のグラフ図においては予め設定したホイール型回転砥石の研削量と実測した研削量が比較できるように示されており、設定した研削量と実測された研削量が一致しているほど研削性能が高いことを示している。尚、図３〜図５中、破線で示す直線が理想的な研削性能を表している。また、図３〜図４のグラフ図におけるエラーバーは、１枚のサファイア基板面内での研削量のバラツキを示している。

「確認」
図３のグラフ図は、従来例に係るホイール型回転砥石の研削性能を示している。そして、図３に示されたエラーバーの長さ寸法と、図３に示された実線の破線からのズレ量から確認されるように、従来例に係るホイール型回転砥石の研削性能が劣っていることが確認される。

また、図４のグラフ図は、（Ｂ／Ａ）が５％である本発明に係るホイール型回転砥石の研削性能を示している。そして、図４に示されたエラーバーの長さ寸法と、図４に示された実線の破線からのズレ量から確認されるように、従来例に係るホイール型回転砥石と比較してその研削性能が大きく改善されていることが確認される。

更に、図５のグラフ図は、（Ｂ／Ａ）が５０％である本発明に係るホイール型回転砥石の研削性能を示している。そして、図５に示された実線から確認されるように、従来例に係るホイール型回転砥石と比較してその研削性能が飛躍的に改善され、かつ、（Ｂ／Ａ）が５％である本発明に係るホイール型回転砥石と較べてもその研削性能が改善されていることが確認される。

実施例１と同一仕様に設定された従来例に係るホイール型回転砥石と、上記（Ｂ／Ａ）が５％と５０％である本発明に係るホイール型回転砥石とを用い、３インチ径サファイア基板の外周部を２４０μｍ研削する加工を繰り返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を３個、本発明に係る２種類のホイール型回転砥石をそれぞれ３個用意し、不当たり発生までの枚数を確認した。

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。

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。 本発明に係るホイール型回転砥石の平面図。 従来例に係るホイール型回転砥石の研削性能を示すグラフ図。 （Ｂ／Ａ）が５％である本発明に係るホイール型回転砥石の研削性能を示すグラフ図。 （Ｂ／Ａ）が５０％である本発明に係るホイール型回転砥石の研削性能を示すグラフ図。

符号の説明

１ ホイール型台金
２ ダイヤモンド砥石層
３ セグメント
４ 隙間部
ａ セグメント３の長さ
ｂ 隙間部４の長さ

Claims (4)

1. ホイール型台金と、ホイール型台金の外周面に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、
   上記ダイヤモンド砥石層がセグメント構造になっており、各セグメントの合計長さをＡ、各セグメント間に設けられる隙間部の合計長さをＢとしたとき、セグメントの合計長Ａに対する隙間部の合計長Ｂの比率（Ｂ／Ａ）が０より大きい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. 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記載の硬脆材料基板用ホイール型回転砥石。
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）よりも柔らかいことを特徴とする請求項１または２記載の硬脆材料基板用ホイール型回転砥石。
4. 各セグメントにおけるダイヤモンド砥粒の粒度が＃１００〜＃６００であることを特徴とする請求項１、２または３記載の硬脆材料基板用ホイール型回転砥石。

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