JP7197499B2 - ビトリファイドボンド超砥粒ホイール - Google Patents

Description

この発明は、ビトリファイドボンド超砥粒ホイールに関する。本出願は、２０１７年１０月１１日に出願した日本特許出願である特願２０１７－１９７４０７号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

従来、ビトリファイドボンド超砥粒ホイールはたとえば特開２００２－２２４９６３号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２００２－２２４９６３号公報

この発明に従ったビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、台金と、台金に設けられた超砥粒層とを備え、超砥粒層は、複数の超砥粒と、複数の超砥粒を結合するビトリファイドボンドとを含み、ビトリファイドボンドは複数の超砥粒間に位置して複数の超砥粒を結合する複数のボンドブリッジを有し、複数の超砥粒の８０％以上はボンドブリッジにより隣接する超砥粒と結合されており、超砥粒層の断面の複数のボンドブリッジにおいて、厚みが超砥粒の平均粒径以下で厚みより長さの大きいものが９０％以上存在する。

図１は、実施の形態１に従ったビトリファイドボンド超砥粒ホイールの超砥粒層の模式図である。 図２は、実施の形態２に従ったビトリファイドボンド超砥粒ホイールの超砥粒層の模式図である。 図３は、実施の形態２に従ったビトリファイドボンド超砥粒ホイールの超砥粒層の模式図である。

[本開示が解決しようとする課題]
従来の技術では、寿命が短いという問題があった。そこでこの発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、寿命が長いビトリファイドボンド超砥粒ホイールを提供することを目的とするものである。
［本発明の実施形態の説明］
本発明の実施形態について、説明する。この発明の実施形態に従ったビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、台金と、台金に設けられた超砥粒層とを備え、超砥粒層は、複数の超砥粒と、複数の超砥粒を結合するビトリファイドボンドとを含み、ビトリファイドボンドは複数の超砥粒間に位置して複数の超砥粒を結合する複数のボンドブリッジを有し、複数の超砥粒の８０％以上はボンドブリッジにより隣接する超砥粒と結合されており、超砥粒層の断面の複数のボンドブリッジにおいて、厚みが超砥粒の平均粒径以下で厚みより長さの大きいものが９０％以上存在する。

超砥粒層は超砥粒を２０体積％以上６０体積％以下含んでいてもよい。超砥粒の割合をこの範囲とすることで、切れ味をより一層向上させることができる。

超砥粒層において、ビトリファイドボンド、超砥粒および気孔の合計の体積割合が９９％以上であってもよい。この範囲であれば不純物が少なく、超砥粒層の寿命を一層向上されることができる。好ましくは上記体積割合は９９．５％以上、より好ましくは９９．９％以上である。最も好ましくは超砥粒層は、ビトリファイドボンド、超砥粒、気孔および不可避不純物のみからなる。

ビトリファイドボンドは、ＳｉＯ_２を３０質量％以上６０質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３を２質量％以上２０質量％以下、Ｂ_２Ｏ_３を１０質量％以上４０質量％以下、ＲＯ（ＲＯはＣａＯ、ＭｇＯ、およびＢａＯより選ばれる１種類以上の酸化物）を１質量％以上１０質量％以下、Ｒ_２Ｏ（Ｒ_２Ｏは、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏより選ばれる１種類以上の酸化物）を２質量％以上５質量％以下含んでいてもよい。

ビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、ＳｉＣ、ＧａＮ、サファイアの硬脆材料のほかシリコン、ＬＴ（リチウムタンタレイト）など脆弱材料ウエハを切断および加工するためのものである。

従来、半導体ウエハなどの研削加工においてビトリファイドボンドホイールが用いられる。

ビトリファイドボンド超砥粒ホイールでは、二酸化ケイ素などを主成分とするガラス質のボンド材で砥粒を結合するため砥粒保持力が強く、長時間の研削が可能な反面、砥粒保持力が高く自生発刃作用が不十分なため、研削加工を継続するにつれて研削抵抗値が高くなり、研削抵抗値が安定しない場合があった。

特許文献１のビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、気孔径を制御し、特定の組成のビトリファイドボンドとすることで、ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）などの難削材の研削加工において、砥粒を強固に保持するとともに、脱落した砥粒を気孔部分に保持できるようにして、加工面にスジが入るのを防止したものである。ＰＣＤなどの難削材の加工においては、良好な切れ味を維持するため、研削加工と同時に砥粒層のドレッシングも行いながら、加工を行う。

ところで、半導体ウエハなどの加工においては、ホイールを取り付けた機上でドレッシングを行った後は、ドレッシングをせずに良好な切れ味が長時間継続することとホイールの寿命が長いことが要求される。

本発明者は、ビトリファイドボンド超砥粒ホイールにおいて長時間の研削を可能にするため、鋭意検討を行った。その結果、ビトリファイドボンドの分散状態が、ビトリファイドボンド超砥粒ホイールの性能に影響を与えていることが分かった。

従来のビトリファイドボンド超砥粒ホイールでは、超砥粒はビトリファイドボンドで強固に保持されているが、超砥粒とビトリファイドボンドの分散状態はバラツキが大きい。このようなホイールで、半導体ウエハなどの研削加工を行うと、自生発刃作用がうまく継続されず切れ味が悪化したり、超砥粒とビトリファイドボンドの固まりが脱落してホイール寿命が短くなる恐れがある。

この点を解消することで、良好な切れ味が長時間継続でき、長寿命が実現できるビトリファイドボンド超砥粒ホイールを提供できることを見出した。具体的には、超砥粒およびビトリファイドボンドの分布をできるだけ均一にするとともに、超砥粒を結合するビトリファイドボンドの厚みを薄くして過剰に結合力を高くせず、自生発刃作用が適度に行われるようにして、切れ味が良好で寿命も延びる超砥粒層を提供することができる。

図１は、実施の形態１に従った超砥粒層の断面図である。図１では、２つの超砥粒１１，１２間に単独でボンドブリッジ２１が存在する。隣り合う２つの超砥粒１１，１２間で距離が最も近接する箇所を結び、この距離（矢印１０１の長さ）を「厚み」とする。厚みの中間点で厚みに対する垂線がボンドブリッジ２１内で延びる長さ（矢印１０２の長さ）を「長さ」とする。ビトリファイドボンド２０はボンドブリッジ２１を有する。超砥粒層１には、図１で示したボンドブリッジ２１のみでなく、複数のボンドブリッジ２１が存在する。

図２は、実施の形態２に従った超砥粒層の断面図である。図２では、複数のボンドブリッジ２１が一体となっている場合には、各超砥粒毎にボンドブリッジ２１の厚みと長さを定義する。超砥粒１１と超砥粒１２との間において、点線３１は超砥粒１１，１２の一方側における最外周を結ぶ外接直線であり、点線３２は超砥粒１１，１２の他方側における最外周を結ぶ外接直線である。超砥粒１１，１２間で距離が最も近接する箇所を結びこの距離（矢印１０１の長さ）をボンドブリッジ２１の厚みとし、厚みの中間点で厚みに対する垂線が点線３１，３２間で延びる長さ（矢印１０２の長さ）を長さとする。点線３１，３２で囲まれた領域をボンドブリッジ２１とみなす。

図３は、実施の形態２に従った超砥粒層の断面図である。超砥粒１３と超砥粒１２との間において、点線３１は超砥粒１３，１２の一方側における最外周を結ぶ外接直線であり、点線３２は超砥粒１３，１２の他方側における最外周を結ぶ外接直線である。超砥粒１３，１２間で距離が最も近接する箇所を結びこの距離（矢印１０１の長さ）をボンドブリッジ２１の厚みとし、厚みの中間点で厚みに対する垂線が点線３１，３２間で延びる長さ（矢印１０２の長さ）を長さとする。点線３１，３２で囲まれた領域をボンドブリッジ２１とみなす。

超砥粒１１，１２，１３の平均粒径は、好ましくは０．１～１００μｍとする。超砥粒１１，１２，１３はダイヤモンドまたはＣＢＮである。

［ビトリファイドボンドの成分］
ビトリファイドボンド２０の成分は特に限定されるものではない。たとえば、ビトリファイドボンド２０は、ＳｉＯ_２を３０質量％以上６０質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３を２質量％以上２０質量％以下、Ｂ_２Ｏ_３を１０質量％以上４０質量％以下、ＲＯ（ＲＯはＣａＯ、ＭｇＯ、およびＢａＯより選ばれる１種類以上の酸化物）を１質量％以上１０質量％以下、Ｒ_２Ｏ（Ｒ_２Ｏは、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏより選ばれる１種類以上の酸化物）を２質量％以上５質量％以下含む。

［ボンドブリッジの測定方法］
ボンドブリッジ２１を測定する場合には、超砥粒層１の断面において、超砥粒１１，１２，１３が１００ヶ程度含まれる大きさの正方形の範囲を選択する。

ボンドブリッジ２１寸法の規定は、上記の実施の形態１および２で示す通りである。超砥粒層１をダイヤモンドカッターで切断し、切断した面が露出するように超砥粒層１の周囲をエポキシ樹脂で包むように埋めて、切断面をイオンミリング法で研磨する。研磨面をＳＥＭ(scanning electron microscope)で観察および撮像する。撮影された写真において超砥粒１１，１２，１３はグレーに見え、ビトリファイドボンド２０は白に近いグレーに、気孔は黒に近いグレーに見える。撮影された写真の上に透明のシートを載置し、観察者が、透明シートに超砥粒１１，１２，１３およびビトリファイドボンド２０をトレースする。点線３１，３２も観察者が記載する。さらに、観察者によって、ボンドブリッジ２１の厚みおよび長さを求める。

［体積割合の測定方法］
上記のＳＥＭで観察および撮像した写真の上に、新たな透明シートを載置して超砥粒に該当する部分のみを観察者がトレースして黒く塗る。画像解析ソフトを用いて黒い部分とそれ以外の部分とに二値化して画像解析ソフトが黒い部分の面積割合を求める。これを超砥粒の面積割合とする。

上記のＳＥＭで観察および撮像した写真の上に、新たな透明シートを載置してビトリファイドボンドに該当する部分のみを観察者がトレースして黒く塗る。画像解析ソフトを用いて黒い部分とそれ以外の部分とに二値化して画像解析ソフトが黒い部分の面積割合を求める。これをビトリファイドボンドの面積割合とする。

上記のＳＥＭで観察および撮像した写真の上に、新たな透明シートを載置して気孔に該当する部分のみを観察者がトレースして黒く塗る。画像解析ソフトを用いて黒い部分とそれ以外の部分とに二値化して画像解析ソフトが黒い部分の面積割合を求める。これを気孔の面積割合とする。

求めた面積割合を、超砥粒、ビトリファイドボンドおよび気孔の体積割合とみなす。
［超砥粒の平均粒径の測定方法］
ビトリファイドボンド超砥粒ホイール中に含まれる超砥粒の平均粒径を測定するには、超砥粒層の結合材全体を酸などによって溶かして超砥粒を取り出す。超砥粒ホイールが大きい場合は、超砥粒層を所定の体積（例えば、０．５ｃｍ^３）だけ切り取って、ビトリファイドボンド材を酸などで溶解して超砥粒を取り出し、レーザー回折式粒度分布測定装置（例えば、株式会社島津製作所製、ＳＡＬＤシリーズ）で測定して、平均粒径を測定する。

［ビトリファイドボンド超砥粒ホイールの製造方法］
ビトリファイドボンド超砥粒ホイールを製作するには、以下の手順で行う。

（１）超砥粒とビトリファイドボンドを混合し、焼結する。焼結の温度は７００～９００℃とする。

（２）超砥粒とビトリファイドボンドの焼結体をボールミルに入れて粉砕する。
（３）粉砕した焼結体とビトリファイドボンドの粒を混合し、再度成形・焼結する。

（１）で超砥粒とビトリファイドボンドの混合比率を調整したり、（２）で粉砕する時間などを調節することによっても、粉砕したときの超砥粒に付着したビトリファイドボンドの量を制御できる。

超砥粒同士の結合力が極度に高くないため、長時間安定した切れ味が継続でき、しかも超砥粒とビトリファイドボンドが固まって脱落することも大幅に減少するため、寿命も向上する。これにより、従来ホイールと表面粗さは同等でありながら低負荷、低摩耗の研削が可能になった。

超砥粒層にフィラーが含まれていないので、過度に結合力が高くなるのを防止し、適度に超砥粒が脱落して、自生発刃作用が行われるので、切れ味が良好な状態が長時間継続される。フィラーがあると、フィラーとビトリファイドボンドの結合力が高くなり、フィラー周辺の超砥粒が単独で脱落しにくくなり、しかもフィラーが無い部分の超砥粒の結合力と比較すると、フィラー周辺の結合力が高くなるため、フィラー、超砥粒およびビトリファイドボンドの固まりが脱落する現象が生じるため、超砥粒層の摩耗が大きくなることがあり、ホイールの寿命が短くなる。

超砥粒層の断面を平面的に見たときに、超砥粒の８０％以上というほとんどの超砥粒がビトリファイドボンドで結合されているので、超砥粒が個々に脱落することも少なく、ビトリファイドボンドのボンドブリッジの厚みが厚くないため、適度な結合力となり、結合力が高すぎることもなく、超砥粒とビトリファイドボンドの固まりが脱落することも抑制できる。３次元で見たときにすべての超砥粒がボンドブリッジにより結合されていても、２次元で見たときには結合されていないように見える超砥粒が存在する。断面において８０％以上の超砥粒にボンドブリッジが形成されて結合されていれば、個々に脱落してしまう超砥粒は非常に少なくなり、超砥粒層の摩耗は少なくなる。超砥粒層全体の結合力は、高い所と低い所の差が小さく、全体的にバランスが良いので、均一に摩耗する。より好ましくは、超砥粒層の断面において複数の超砥粒の９０％以上、さらに好ましくは９５％以上はボンドブリッジにより隣接する超砥粒と結合されている。

超砥粒層の断面の複数のボンドブリッジにおいて、厚みが超砥粒の平均粒径以下で厚みより長さの大きいものが９０％以上存在することで、超砥粒層が自生発刃しやすくなる。その結果、切れ味が向上して工具を回転させるための負荷電流値を低くすることができる。

特許文献１は、超砥粒とガラスの分散状態が不均一で、ガラスの固まりのような部分もあるため、結合度が高くなり、この固まりが脱落する恐れがある。

実施形態の発明は、超砥粒層全体にわたり、できるだけ均一にビトリファイドボンドを薄く分散させ、超砥粒の結合力を極度に高くせず、結合力のバラツキを小さくして、均一に摩耗させる。

［本発明の実施形態の詳細］
（実施例１）
ＳｉＯ_２を４３．５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１５．５質量％、Ｂ_２Ｏ_３を３２．０質量％、ＲＯ（ＲＯはＣａＯ、ＭｇＯ、およびＢａＯより選ばれる１種類以上の酸化物）を４．０質量％、Ｒ_２Ｏ（Ｒ_２Ｏは、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏより選ばれる１種類以上の酸化物）を５質量％含むビトリファイドボンドを準備した。ビトリファイドボンドの平均粒径は、５μｍであった。

超砥粒として、ダイヤモンドを準備した。ダイヤモンドの平均粒径は７μｍであった。
ビトリファイドボンドとダイヤモンドとをミキサーで混合し、温度８００℃で焼結した。焼結体をボールミルで２時間粉砕した。２時間経過後、粉砕物の平均粒径が２０μｍを超えていたので、粉砕物の平均粒径が２０μｍ程度になるまで粉砕を続けた。

粉砕物とビトリファイドボンドとを混合して再度成形および焼結して超砥粒層を作成した。超砥粒層を溶かしてダイヤモンドの平均粒径を測定した。超砥粒層を切断して分析した。それらの結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例２では、実施例１と同じ原料を用いて、製造方法において焼結体をボールミルで粉砕する時間を変更することにより超砥粒層を製造した。超砥粒層を溶かしてダイヤモンドの平均粒径を測定した。超砥粒層を切断して分析した。結果を表２に示す。

（実施例３）
実施例３では、実施例１と同じ原料を用いて、製造方法においてビトリファイドボンドの割合を変更することにより超砥粒層を製造した。超砥粒層を溶かしてダイヤモンドの平均粒径を測定した。超砥粒層を切断して分析した。結果を表３に示す。

（比較例１）
比較例１では、実施例１と同じ原料を用いて、製造方法において超砥粒とビトリファイドボンドの焼結体を粉砕することなく、１回の焼結で超砥粒層を作製する方法に変更することにより超砥粒層を製造した。超砥粒層を溶かしてダイヤモンドの平均粒径を測定した。超砥粒層を切断して分析した。結果を表４に示す。

実施例１から３および比較例１の超砥粒層からなるチップを、接着剤を用いてアルミニウム合金製の台金に接着し、その後、在来砥石を用いてツルーイング・ドレッシングを行い、ビトリファイドボンド超砥粒ホイールを完成させた。

ホイールのサイズは外径２００ｍｍ、超砥粒層の半径方向の幅は４ｍｍ、超砥粒層の厚みは５ｍｍのセグメント型カップホイール（ＪＩＳ Ｂ４１３１ ６Ａ７Ｓ型）である。

これらのビトリファイドボンド超砥粒ホイールを縦型ロータリーテーブル方式の平面研削盤に取り付け、直径６インチ（１５．２４ｃｍ）のＳｉＣウエハの研削加工を行って、寿命および切れ味の効果を確認した。

その結果を表５に示す。

寿命の評価において、ウエハを１００枚加工して寿命になったものを１．０としている。たとえば、ウエハを３００枚加工できれば、寿命は３である。

評価Ａは、寿命が３以上、評価Ｂは寿命が１．５以上３未満、評価Ｃは寿命が０．５以上１．５未満であることを示す。

切れ味の評価では、比較例１の研削加工中の主軸モーターの平均負荷電流値を１として、それに対する実施例における切削中の主軸モーターの相対的な負荷電流値（相対電流値といい、（実施例の研削加工中の主軸モーターの負荷電流値）／（比較例１の研削加工中の主軸モーターの平均負荷電流値）で定義される）とウエハの加工枚数と考慮して評価を作成した。

評価ａは、終始、相対電流値が０．５未満でウエハ３００枚以上加工できることを示す。評価ｂは、最初は相対電流値が０．５未満だが、ウエハ３００枚加工後は上昇し０．５以上０．７未満となることを示す。評価ｃは、最初から相対電流値が０．７以上であることを示す。

実施例１から３では、比較例１と比較して寿命および切れ味が向上していることが分かった。

その理由として、実施例１では、超砥粒の９０％以上をボンドブリッジで結合することによって摩耗を低減できるからと考えられる。ボンドブリッジの厚みが超砥粒の平均粒径以下で厚みより長さの大きいものが９０％以上存在するので、自生発刃しやすく負荷電流値を低くすることができる。

実施例２では、実施例１よりさらに多く（９５％以上）の超砥粒をボンドブリッジで結合し、ボンドブリッジ厚みも好ましい状態になり、さらに低負荷、長寿命化の傾向が出ている。

実施例３では、実施例１および２よりは、隣接する超砥粒がボンドブリッジで結合された割合が８０％程度と少し低くなっているため寿命が短くなり、切れ味は加工が進むにつれて電流値が大きくなる。

比較例１では、ガラスが偏析し、結合力が強固なものと弱いものが混在しているため、砥粒層の固まりが脱落する傾向がある。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 超砥粒層、１１，１２，１３ 超砥粒、２０ ビトリファイドボンド、２１ ボンドブリッジ。

Claims (3)

1. 台金と、
   前記台金に設けられた超砥粒層とを備え、
   前記超砥粒層は、複数の超砥粒と、複数の前記超砥粒を結合するビトリファイドボンドとを含み、前記ビトリファイドボンドは複数の前記超砥粒間に位置して複数の前記超砥粒を結合する複数のボンドブリッジを有し、
   前記超砥粒層の断面において複数の前記超砥粒の８０％以上は前記ボンドブリッジにより隣接する前記超砥粒と結合されており、
   前記超砥粒層の断面の複数の前記ボンドブリッジにおいて、厚みが前記超砥粒の平均粒径以下で厚みより長さの大きいものが９０％以上存在し、
   前記超砥粒層は前記超砥粒を２０体積％以上６０体積％以下含み、
   ２つの前記超砥粒間に前記ボンドブリッジが存在し、隣り合う前記２つの超砥粒間で距離が最も近接する箇所を結び、この距離を前記厚みとし、前記厚みの中間点で前記厚みに対する垂線が前記ボンドブリッジ内で延びる距離を前記長さとする、ビトリファイドボンド超砥粒ホイール。
2. 前記超砥粒層において、前記ビトリファイドボンド、前記超砥粒および気孔の合計の体積割合が９９％以上である、請求項１に記載のビトリファイドボンド超砥粒ホイール。
3. 前記ビトリファイドボンドは、ＳｉＯ_２を３０質量％以上６０質量％以下、Ａｌ_２Ｏ_３を２質量％以上２０質量％以下、Ｂ_２Ｏ_３を１０質量％以上４０質量％以下、ＲＯ（ＲＯはＣａＯ、ＭｇＯ、およびＢａＯより選ばれる１種類以上の酸化物）を１質量％以上１０質量％以下、Ｒ_２Ｏ（Ｒ_２Ｏは、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏより選ばれる１種類以上の酸化物）を２質量％以上５質量％以下含む、請求項１または２に記載のビトリファイドボンド超砥粒ホイール。

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