JP5759005B2 - ベベリング砥石 - Google Patents

Description

本発明は、硬脆材料の外周部を加工するためのベベリング砥石に関する。

シリコンウエハや化合物半導体ウエハからなるウエハの製造工程として、シリコンインゴット等を外周刃ブレード、或いはカップ型ホイールなどで所定寸法の円柱状のインゴットに成形する成形工程と、この円柱状インゴットを内周刃ブレードで所定の厚さにスライスしてウエハにするスライス工程と、このウエハの外周部をベベリング砥石で面取り研削する面取り工程と、面取り工程で面取りされたウエハ面をラッピング、エッチング、ポリッシングして集積回路のサブスレートを完成させる仕上げ工程とを含むものがある。

図５（ａ）は、従来のべべリング砥石の斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＹ矢視図であり、溝部の拡大図である。面取り工程では、図５（a）（ｂ）に示すようなベベリング砥石１００をウエハ（不図示）の径方向端面（以下、外周面という）に当接させて、ウエハの外周面の角部を研削加工することにより行われる。ところで、成形工程やスライス工程においては、ウエハを所定の寸法に切断した際に、ウエハの外周面の角部にエッジが形成される。ウエハの角部にエッジが形成されると、その後の加工処理において、ウエハの角部に応力が集中し、欠損した角部がウエハから脱落（チッピング）する場合がある。このチッピングが発生すると、その後の加工工程（仕上げ工程）において、脱落した角部がウエハの表裏面を傷付け、クラック（割れ）を引き起こし、半導体製造装置の歩留まりを低下させる。このため、成形工程やスライス工程の後にウエハの角部を面取りする面取り工程を設けることは、非常に重要である。

この面取り工程で用いられるベベリング砥石１００は、図５（ａ）に示すように略円盤状に形成された台金２００を備える。台金２００の外周面には、図５（ｂ）に示すように、複数の溝部が形成されており、これらの溝部には砥粒層３００が固着されている。この砥粒層３００は、台金２００の外周面の全周に渡って形成されており、ダイヤモンド砥粒やＣＢＮ（立方晶化ホウ素）砥粒（以下、ダイヤモンド砥粒等という）の砥粒材料を台金２００上に結合材を用いて固着させることにより形成されている。

ここで、ダイヤモンド砥粒等を台金２００の外周面に固着させる固着方法として、レジンボンド法、ビドリファイドボンド法、メタルボンド法（焼結法）および電着法などが知られている（特許文献１乃至６参照）。

また、ダイヤモンド砥粒を台金２００の外周面に強固に固着させるために、ダイヤモンド砥粒をろう付けにより固着させる方法が知られている（特許文献７参照）。

特開２００７−４４８１７号公報 特開２００５−５９１９４号公報 特開２００３−１５９６５５号公報 特開２００３−３９３２８号公報 特開２００２−２７３６６２号公報 特開平６−２６２５０５号公報 特開２００６−２６３８９０号公報 特開２００７−８３３５２号公報

近年、砥粒の粒径を縮径することによる、砥石の長寿命化、端面形状の崩れの極小化、割れの防止、チッピングの防止が求められている。粒径が小さい砥粒を例えば、電着法で固着した場合、硬脆材料の切削時に下記の問題が生じる。図６（ａ）は粒径が大きい砥粒が電着法で固着された状態を模式的に示している。図６（ｂ）は粒径が小さい砥粒が電着法で固着された状態を模式的に示している。

これらの図を参照して、粒径が大きい砥粒を使用、つまり、図６（ａ）に図示する砥粒３１０を使用した場合、砥粒３１０の上端部（ウエハに接触する側の端部）から基準面（結合層３２０の上端面）までの間隔Ｔ１がより大きくなる。他方、粒径が小さい砥粒を使用、つまり、図６（ｂ）に図示する砥粒３１０を使用した場合、砥粒３１０の上端部から基準面までの間隔Ｔ２がより小さくなる。したがって、粒径が大きい砥粒を使用した場合には、研削されるウエハの端部から基準面に至るまでの間隔を十分に確保できるため、研削時にウエハが結合層３２０の基準面に当接して、結合層が浸食されるのを抑制することができる。これに対して、粒径が小さい砥粒を使用した場合、研削されるウエハの端部から基準面までの間隔を十分に確保することができないため、研削時にウエハの端部が基準面に当接して、結合層３２０が浸食される。電着法などの特許文献１乃至６に記載された従来の結合方法では、砥粒を固着する固着強度が元々十分でないことに加えて、結合層３２０の浸食による強度低下を招くため、小径化した砥粒を固着させる手段として十分でない。

さらに、特許文献７に開示されるような、ダイヤモンド砥粒等を台金の外周面にろう付けにより固着させる方法では、被研削材がガラスであるため、ダイヤモンド砥粒の平均粒径は♯２００／２３０と大きく設定されている。したがって、特許文献７には、砥粒が小径化することによる課題は、記載も示唆もされていない。このように粒径が大きいダイヤモンド砥粒を用いたベベリング砥石１００によって、ウエハのような硬くて脆い硬脆材料の面取り加工を行うと、ウエハが過度に削り取られ、チッピングや割れ等が発生し易くなる。

そこで、本発明は、長期の研削においてもダイヤモンド砥粒等の脱落をなくし、長期使用を実現するとともに、硬脆材料の面取り加工時に生じるチッピングや被研削材における割れの発生を抑制するベベリング砥石を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明のべべリング砥石は、硬脆材料の外周縁部を面取り加工するべべリング砥石であって、前記硬脆材料の外周縁部が当接する外周面に溝部が形成された台金と、前記溝部に形成され、ろう付けにより砥粒が固着された砥粒層とを有し、前記砥粒の平均粒径は、＃３０００〜＃４００であり、前記砥粒から離間した第１の位置における前記ろう付けの厚みは、前記第１の位置よりも前記砥粒に近接した第２の位置における前記ろう付けの厚みよりも薄いことを特徴とする。

本発明によれば、小さい粒径のダイヤモンド砥粒等を強固にベベリング砥石の外周端部に固着させることで、ベベリング砥石を長期に使用可能とするとともに、硬脆材料の面取り加工時に生じるチッピングや被研削材における割れの発生を抑制する技術を提供することができる。

本発明に係るべべリング砥石の第１実施形態の斜視図である。 図１におけるＸ−Ｚ断面の拡大断面図である。 本発明におけるＡ部拡大図である。 濡れ性の低い固着剤によるＡ部拡大参考図である。 電気モータ装着時における本発明のべべリング砥石の概略図である。 従来例におけるべべリング砥石の斜視図である。 図５（a）の点線で囲んだ領域を拡大して図示するＹ矢視図である。 粒径が大きい砥粒が電着法で固着された状態を模式的に示している。 粒径が小さい砥粒が電着法で固着された状態を模式的に示している。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態のべべリング砥石の斜視図であり、図２は図１のべべリング砥石をＸ−Ｚ断面で切断した断面図である。これらの図を参照して、べべリング砥石１は、台金２を含む。台金２は、略円盤形状に形成されており、径方向の中心部に上下方向に延びる貫通孔２１が形成されている。この貫通孔２１には、後述する電気モータ４の回転軸４１が挿通されており、回転軸４１及び台金２は互いに固定されている。電気モータ４が駆動されると、回転軸４１及び台金２は一体的に回転する。

ここで、台金２は、ステンレス鋼であっても良い。ステンレス鋼は、耐摩耗性および耐食性が高いため、べべリング砥石１の寿命を延ばすことができる。ステンレス鋼は、SUS304、SUS316、SUS430であってもよい。

また、台金２の径方向端部の外周面には、凹凸部２３が形成されている。この凹凸部２３は、研削対象であるウエハなどの目的形状に応じた形状を備える。例えば硬脆材料の外周面の角部を４５°の傾斜角度に面取り加工する場合は、凹凸部２３における傾斜砥石面部２４を、台金２の半径方向に対して４５°傾斜させる。この傾斜砥石面部２４に後述の砥粒層３を形成して、傾斜砥石面部２４を硬脆材料に当接させることにより、硬脆材料を目的の形状に面取り加工することができる。

砥粒層３は、台金２の外周面における凹凸部２３に対して砥粒３１をろう付けにより固着することにより形成される。ろう材３２は、メタルボンド等と異なり親和性が高いため、砥粒３１とろう材３２、およびろう材３２と凹凸部２３とを隙間なく固着することができる。これにより、砥粒３１が凹凸部２３に対して強固に固着するため、砥粒３１の脱落を抑制することができる。

また、ろう材３２は、濡れ現象により塗布量が少なくとも、砥粒３１を十分な強度で固着することができる。しかも、砥粒３１に近接した領域では厚みが相対的に厚くなり、砥粒３１から離間した領域では厚みが相対的に薄くなり、十分な固着強度を維持しながら、研削対象であるウエハから離間した位置にろう材３２を配することができる。これにより、研削時にウエアがろう材３２に当接して、浸食するのを抑制できる。図３（ａ）は、ろう材３２を凹凸部２３に塗布することにより、砥粒３１を固着した状態を模式的に示した砥粒層３の拡大図であり、図３（ｂ）は、電着法により砥粒３１を凹凸部２３に固着した状態を模式的に示した砥粒層３の拡大図である。 図３（a）を参照して、ろう材３２を用いて砥粒３１を固着した場合には、ろう材３２が砥粒３１の外面に沿って下方に延出し、砥粒３１から離間するにしたがって、ろう材３２の厚みが薄くなっている。したがって、研削対象であるウエハがろう材３２に当接することにより浸食されるのを抑制することができる。図３（ｂ）を参照して、電着法により砥粒３１を凹凸部２３に固着した場合には、結合層がフラットであるため、研削対象であるウエハがろう材３２に当接して、浸食が進むおそれがある。このように、本実施形態では、砥粒３１を小径化することによって生じる課題、つまり、研削対象であるウエハが結合層に当接することによる浸食を、ろう材３２の濡れ性に着目することにより解決している。これにより、長期の研削においてもダイヤモンド砥粒等の脱落をなくし、長期使用を実現するとともに、硬脆材料の面取り加工時に生じるチッピングや被研削材における割れの発生を抑制することができる。

ここで、砥粒３１の平均粒径は、＃３０００（５uｍに相当）〜＃４００である。砥粒の平均粒径が＃３０００よりも小さくなると、砥粒３１の突出量が小さくなって研削能力が低下するため、作業効率を悪化させる。

ここで、平均粒径は、D50で表される中心径により定義した。上記砥粒の平均粒径（単位um）は、ベックマン・コールター社製Coulter Multisizer 3のコールターカウンターを用いて測定した。

上記のような粒径の砥粒３１を単層により凹凸部２３の表面に配列しても良い。これにより、砥粒３１の大きさを揃えることで、砥粒３１の研削面を一定に保つことが可能となり、凹凸部２３の場所に応じて過度に硬脆材料が研削されることを防ぐことができる。すなわち、硬脆材料の形状崩れを起こさずに、硬脆材料の面取り加工を行うことができる。

ここで、砥粒３１には、例えばダイヤモンド、立方晶ボロンナイトライド、炭化珪素および酸化アルミニウムを用いることができる。

また、ろう材３２には、例えばNi-Cr-Fe-Si-B系、Ni-Si-B系、Ni-Cr-Si-B系などのろう材を用いることができる。Ni-Fe-Cr-Si-B系にPを含有させることで、砥粒３１とろう材３２との濡れ性を改善して、台金２に対する砥粒３１の接合性を安定させ、台金２から砥粒３１が脱落するのを効果的に防ぐことができる。ここで、Ｐの含有量は、0.1％≦Ｐ≦8％であってもよい。Ｐの含有量が質量％で0.1％未満の場合には、ろう材３２の融点が不安
定になる。Ｐの含有量が、質量％で、8％以上の場合には、ろう材３２の融点は安定するものの、砥粒３１とろう材３２の濡れ性が過大となり、砥粒３１がろう材３２によって覆われ、研削機能が低下する。

次に、べべリング砥石１の製造方法の一実施形態について説明する。まず、台金２の外周面にろう材３２、その上から糊等により砥粒３１を仮付けする。このろう材３２の仮付けには、ろう材３２を箔とした場合とろう材３２を粉とした場合とがある。ろう材３２が箔の場合は、スポット溶接で仮付けする。ろう材３２が粉の場合は、セルロース系のバインダー等をろう粉と混練したものを台金２に塗布する。また、砥粒３１の配列としては、単層で凹凸部２３に対して均一に配列するとよい。台金２に対して砥粒３１およびろう材３２を仮付けした後に、10^-3Pa程度の圧力で台金２を真空引きする。そして、その後、ろう材３２の溶融温度まで台金２を昇温させて、ろう材３２を溶融させて台金２に対して砥粒３１を固着させる。このろう材３２の溶融温度は、ろう材３２の融点以上であって、高くても液相線温度+30℃以内にすると良い。このように溶融温度を低く制限することにより、台金２が熱によって大きく変形するのを抑制することができる。

次に、上記のように形成されたべべリング砥石１を用いた、硬脆材料の面取り動作について説明する。ここで、硬脆材料は、例えばシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ、フラットパネルディスプレイ用ガラス基板、ハードディスク用ガラス基板であってもよい。

べべリング砥石１は、図４に図示するように、電気モータ４の回転軸４１の下端部に形成されたネジ部４２にナット５を締結することにより固定される。研削対象である硬脆材料は、ワークホルダー（不図示）に固定するとともに、べべリング砥石１及びワークホルダーが同じ高さとなるように、ワークホルダーの高さを調節する。これらの設定が完了すると、電気モータ４を駆動して、回転軸４１を介してべべリング砥石１を高速回転させる。この高速回転したべべリング砥石１をべべリング砥石移動機構部（不図示）によって、硬脆材料の外周面に対して所定の押圧力により押しつけて、硬脆材料の面取り研削を行う。研削作業が完了すると、べべリング砥石移動機構部を駆動して、べべリング砥石１を硬脆材料から離間させる。べべリング砥石１が初期位置に戻ると、電気モータ４およびべべリング砥石移動機構部の駆動を停止させる。

本発明のべべリング砥石１により研削される研削対象は、例えばシリコンウェハまたはハードディスク基板であってもよい。この場合は、純水を研削液として使用した機械研磨法、または、化学機械研磨法（ＣＭＰ法（Chemical-Mech Polishing Method））を用いて、シリコンウェハまたはハードディスク基板の面取り加工が行われる。化学機械研磨法とは、具体的には、べべリング砥石１をシリコンウェハまたはハードディスク基板に当接させて研削する際に、研磨粒子を液体中に分散混入させたスラリー（Slurｒy）液をシリコンウェハまたはハードディスク基板の研削面に供給する。このようにスラリー液を研削面に供給することにより、べべリング砥石１とシリコンウェハまたはハードディスク基板の間にスラリー液を介在させた状態で面取り処理を行うことができる。上述の方法によれば、研磨粒子の機械的研磨作用とスラリー液の化学的研磨作用との相乗効果により研磨効率を高めることができる。また、スラリー液のｐＨ濃度を調節することができるため、研磨能率を容易に制御することができる。ここで、スラリー液の研磨粒子としては、例えば粒径１０ｎｍ程度のシリカパウダーを用いることができる。また、スラリー液の液体としては、水酸化カリウム（KOH）または水酸化ナトリウム（NaOH）などのアルカリ金属と水酸基（OH）とからなる物質の水溶液を用いることができる。

実施例を示して本発明について具体的に説明する。

（実施例１）
本実施例では、べべリング砥石１を構成する砥粒３１の平均粒径を#２３０から#５０００の間で変化させて、研削試験を行った。具体的には、発明例２〜発明例５の砥粒３１の平均粒径をそれぞれ＃４００、＃８００、＃１５００、＃３０００とし、比較例１〜２の砥粒３１の平均粒径をそれぞれ＃２３０、＃５０００とし、比較例３〜４の砥粒３１の平均粒径をそれぞれ＃２７０、＃４０００とした。べべリング砥石１の回転速度は、２０００ｍ/分に設定した。研削対象として、外径が２００ｍｍ、厚さが０．８ｍｍのシリコンウェハを使用した。シリコンウェハの回転速度は、１ｒｐｍに設定した。加工液には、純水を使用した。発明例１〜発明例６、比較例１〜２のべべリング砥石１を上記条件に従って回転させながらシリコンウェハに当接させ、切り込み量が０．４ｍｍに達したときに、研削作業を停止し、新しいシリコンウェハに交換した。これらの研削作業をべべリング砥石１が使用不能となるまで繰返し行い、使用不能時点での総加工枚数に基づき、べべリング砥石１の研削能力を評価した。ここで、べべリング砥石１が使用不能になるとは、ろう材３２から砥粒３１が脱落した状態を意味する。また、研削時のチッピングの程度についても評価した。研削能力については、加工枚数が４０００枚以上の場合は◎、１０００〜４０００枚の場合は○、１０００枚以下の場合には×で評価した。チッピングの程度については、大、中、小の三段階で評価した。総合評価は、研削能力の評価が×、またはチッピングの程度が大である場合には不良として×で評価し、研削能力の評価が○で、かつ、チッピングの程度が小、若しくは中である場合には概ね良好として○で評価し、研削能力の評価が◎で、かつ、チッピングの程度が小、若しくは中である場合には大変良好として◎で評価した。これらの評価結果を、下記の表１に示す。

表１を参照して、比較例３は研削能力の評価が◎で、チッピングの程度が中であるため、総合評価は◎となった。発明例２乃至５は研削能力の評価が◎で、チッピングの程度が小であるため、総合評価は◎となった。比較例４は研削能力の評価が○で、チッピングの程度が小であるため、総合評価は○となった。比較例１は研削能力の評価が◎で、チッピングの程度が大であるため、総合評価は×となった。比較例２は研削能力の評価が×で、チッピングの程度が小であるため、総合評価は×となった。これらの評価結果から、研削能力については、べべリング砥石１の砥粒３１が＃３０００より小さくなると、砥粒３１の突出量が小さくなり、研削能力が低下し、加工枚数が減少することがわかった。べべリング砥石１の砥粒３１が＃４０００よりも小さくなると、ろう材３２とシリコンウェハとの間隔が小さくなり、ろう材３２の侵食が促進され、砥粒３１が脱落し、べべリング砥石１の研削性能が著しく低下するため、シリコンウェハの加工枚数が著しく減少することがわかった。また、チッピングについては、べべリング砥石１の砥粒３１を＃２７０より大きくすると、シリコンウェハが過度に削り取られ、チッピングが多く発生することがわかった。
（実施例２）
本実施例では、砥粒３１を台金２に固着する固着方法に用いられるろう付けについて固着強度を評価した。具体的には、次のような発明例７、比較例５および比較例６を用いて、硬脆材料の加工枚数および硬脆材料の研削面における端面形状の崩れの有無について評価した。発明例７に用いられるべべリング砥石１は、粒径が#１５００であるダイヤモンド砥粒をろう付けにより台金２に固着することにより構成した。比較例５に用いられるべべリング砥石１は、発明例７と同じ粒径の砥粒３１をニッケル電着法により台金２に固着することにより構成した。比較例６に用いられるべべリング砥石１は、発明例７と同じ粒径の砥粒３１をメタルボンド（焼結法）により台金２に固着することにより構成した。べべリング砥石１の回転速度は、１５００ｍ/分に設定した。研削対象として、外径が１０５ｍｍ、厚さが０．５ｍｍのガラス製ハードディスク基板を使用した。ハードティスク基板の回転速度は、１ｒｐｍに設定した。加工液には、酸化セリウムスラリーを使用した。発明例７、比較例５〜６のべべリング砥石１を上記条件に従って回転させながらハードディスク基板に当接させ、切り込み量が０．４ｍｍに達したときに、研削作業を停止し、新しいハードディスク基板に交換した。これらの研削作業をべべリング砥石１が使用不能となるまで繰返し行い、使用不能時点での総加工枚数に基づき、べべリング砥石１の研削能力を評価した。ここで、べべリング砥石１が使用不能になるとは、ろう材３２から砥粒３１が脱落した状態を意味する。これらの評価結果を下記の表２に示す。

表２に示すように、発明例７は、加工枚数が１７０００枚と長寿命であり、ハードディスク基板の研削面である端面形状についても崩れがないことがわかった。これに対して、比較例５および比較例６では砥粒３１の固着力が不足するため、早期に砥粒３１が台金２から脱落して、べべリング砥石１の研削能力が低下した。このため、発明例７と比較してハードディスク基板の加工枚数が１/１０〜１/２０に低下し、短寿命であることがわかった。さらに、比較例５および比較例６では早期に砥粒３１が台金２から脱落するため、ベベリング砥石１に砥粒３１がない部分が発生し、硬脆材料の研削面における端面形状が崩れてしまうことも分かった。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。

１ １００ べべリング砥石
２ ２００ 台金、
２１ 貫通孔
２２ 溝部、
２３ 凹凸部、
２４ 傾斜砥石面部
３ ３００ 砥粒層、
３１ 砥粒
３２ ろう材
４ 電気モータ
４１ 回転軸
４２ ネジ部
５ ナット

Claims (3)

1. 硬脆材料の外周縁部を面取り加工するべべリング砥石であって、
   前記硬脆材料の外周縁部が当接する外周面に溝部が形成された台金と、
   前記溝部に形成され、ろう付けにより砥粒が固着された砥粒層とを有し、
   前記砥粒の平均粒径は、＃３０００〜＃４００であり、前記砥粒から離間した第１の位置における前記ろう付けの厚みは、前記第１の位置よりも前記砥粒に近接した第２の位置における前記ろう付けの厚みよりも薄いことを特徴とするべべリング砥石。
2. 前記砥石は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１に記載のべべリング砥石。
3. 前記台金は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１又は２に記載のべべリング砥石。