JPWO2020158631A1 - 高硬質脆性材用メタルボンド砥石 - Google Patents

Abstract

高硬質脆性材を高能率で研削することができる高寿命の砥石を提供する。高硬質脆性材用メタルボンド砥石であるセグメント砥石１４は、セグメント砥石１４全体に対し気孔径が５０から２００μｍの気孔２２が、５０から６５体積％の気孔率で備えられている。このように、直径が５０から２００μｍの気孔径と５０から６５体積％の気孔率とを備えているため、加工抵抗の増大およびメタルボンドの脆性が抑制されるとともに、被削材３０に対する接触面圧を高めることができて適切な研削加工が得られる。また、メタルボンド２０が上記のような気孔２２を備えた有気孔構造であることから、気孔２２がチップポケットとして寄与して研削時の切り屑３２の排出性能や冷却性能が高められるとともに、研削面におけるメタルボンド２０の後退性が高められる。

Description

本発明は、高硬質脆性材を高能率で研削することができる高寿命の砥石に関するものである。

近年、エネルギの有効利用への取り組みが広がる中で、小型で大電力を制御することができるＳｉＣパワーデバイス等が注目されており、その需要の増加に伴って、ＳｉＣウエハのような高硬度材、たとえばビッカース硬さＨＶ１が２０ＧＰａ以上、ヤング率が４００ＧＰａ以上、破壊靱性値が１０ＭＰａ・ｍ^１／２以下の高硬度材を高能率で研削することが望まれるようになった。従来の加工プロセスは、インゴットをスライス加工し、うねり取りのラップ加工を行った後に、ラップ加工、又は、研削加工による平面加工を行い、最後に平坦化するための研磨加工を行っている。また、デバイスを載せたウエハの裏面にもラップ加工又は研削加工が用いられている。しかしながら、従来は上記ＳｉＣウエハのような高硬度材の研削需要が少なかったので、時間をかけて研削加工を行うことで足りたが、パワーデバイスの市場の拡大につれて、その材料となるＳｉＣ基板等の高硬質脆性材の研削について、生産性向上や加工コストの低減という見地から、高能率、高寿命の砥石が必要とされるようになった。

ＳｉＣのような高硬質脆性材を研削する研削砥石としては、特許文献１に示されるように有気孔のビトリファイド砥石を用いるのが一般的であった。しかし、このようなビトリファイド砥石は、集中度が１００以上であるので切れ味の持続性は確保されるが、砥粒保持力が弱いことから砥粒の脱落により砥石寿命が得られなかった。一方、特許文献２に示されるような、銅、錫、コバルト、ニッケル等の金属粉末を混合した高強度且つ高硬度のメタルボンド砥石は、一般的には、集中度が５０から１００であり、ビトリファイド砥石よりもボンド量が多く、機械的特性からも組織が密となっていて砥粒保持力は強いので、砥石寿命が得られるが、高硬質脆性材の研削には砥粒が脱落せず、目つぶれ傾向となり、ビトリファイド砥石と比較して切れ味が鈍いという欠点がある。

これに対して、特許文献３に示すように、砥粒数と砥粒を保持するボンド強度とを制御した高脆性材用メタルボンド砥石が提案されている。これによれば、メタルボンドであっても砥粒を保持するボンド強度が抑制されるので、高硬度材の研削には砥粒が脱落して目つぶれ傾向が抑制され、切れ味が得られる。

特開２０１７−０８０８４７号公報 特開２００２−００１６６８号公報 特開２０１４−２０５２２５号公報

しかしながら、特許文献３に記載の高脆性材用メタルボンド砥石は、砥粒突出しが大きいたとえば＃２３０から＃６００の粒度を有する粗粒、又は、細粒については有効であるが、近年、後工程の加工時間短縮を目的としてウエハのダメージ軽減が必要とされるため、例えば＃２０００（中位径が５μｍから１０μｍ程度）の微粒の砥粒が標準サイズとなってきつつある。この場合、集中度が５０から１００で砥粒を保持するメタルボンドは、溶融金属の凝固体であるため、無気孔の密な構造となっている。このため、磨滅した砥粒が脱落せずに切れ味が鈍化する場合と、被削材の研削時に発生する切屑を除去するための気孔が存在しないので、ボンド擦れを生じやすく切れ味が鈍化する場合とがあり、いずれも高能率研削と寿命とを両立できておらず、市場要求を満たすものでなかった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、高硬質脆性材を高能率で研削することができる高寿命の砥石を提供することにある。

従来の高強度且つ高硬度なメタルボンド砥石は、砥粒の集中度が５０から１００であって、砥粒を保持する金属結合剤は溶融金属のような凝固体であるため、無気孔の密な構造となっている。本発明者等は、上記事情を背景として種々検討を重ねた結果、このようなメタルボンド砥石が高能率研削と長寿命との両立が困難な理由は、磨滅した砥粒が脱落せずに披削材とメタルボンド面とが擦れてしまい、研削抵抗の増大によって切れ味が鈍化する点であるということを見出した。そこで、本発明者は、それらの点が解消されるように被削材とメタルボンド面の擦れを低減すると、ＳｉＣのような高硬質脆性材を、安定した研磨性能で、高能率且つ高寿命に研削することができるメタルボンド砥石が得られるという事実を見出した。本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、高硬質脆性材を研削する高硬質脆性材用メタルボンド砥石であって、直径が５０から２００μｍの気孔径と、５０から６５体積％の気孔率と、７００から６５００個／ｃｍ^２の研削面上の砥粒数と、４０から９５ＭＰａの砥石強度とを、備えることを特徴とする。

本発明の高硬質脆性材用メタルボンド砥石によれば、直径が５０から２００μｍの気孔径と、前記高硬質脆性材用メタルボンド砥石全体に対し５０から６５体積％の気孔率と、７００から６５００個／ｃｍ^２の研削面上の砥粒数と、４０から９５ＭＰａの砥石強度とを、備えている。このように、直径が５０から２００μｍの気孔径と５０から６５体積％の気孔率とを備えているため、脱落した砥粒および切り屑が気孔内に捕捉されて目詰まりが抑制される。

また、前記気孔の気孔径が５０から２００μｍとされ、高硬質脆性材用メタルボンド砥石の気孔率が５０から６５体積％とされることにより、加工抵抗の増大およびメタルボンドの脆性が抑制されるとともに、被削材に対する接触面圧を高めることができて適切な研削加工が得られる。また、メタルボンドが上記のような有気孔構造であることから、気孔がチップポケットとして寄与して研削時の切り屑の排出性能や冷却性能が高められるとともに、研削面におけるメタルボンドの後退性が高められる。

前記気孔径が５０μｍ未満の場合は、加工中に発生するメタルボンドの塑性変形により、気孔が潰れてしまい気孔の効果が得られなくなる。逆に、気孔径が２００μｍを超える場合は、気孔数が低下して部分的にボンドマトリックスが大きくなる箇所が発生し、その部分でボンド擦れが発生するという問題が発生する。

前記気孔率が５０体積％未満の場合は、砥粒を結合するメタルボンドの被削材への接触面積が大きくなり、ボンド擦れによる加工抵抗が増大して連続加工ができなくなる。反対に、気孔率が６５体積％を超えると、高硬質脆性材を削るのに十分な砥粒面、いわゆる素地面を確保できないという問題が発生する。

ここで、好適には、前記高硬質脆性材用メタルボンド砥石は、気孔を除いた研削面上において７００から６５００個／ｃｍ^２の砥粒数を備えている。このように、気孔を除いた研削面上の砥粒数が７００から６５００個／ｃｍ^２とされることにより、砥粒の被削材に対する切り込み深さが確保され、高速送りでも低負荷で研削が可能となる。高硬質脆性材用メタルボンド砥石が上記のような有気孔構造であるとき、気孔を除く研削面の砥粒数が６５００個／ｃｍ^２を超える場合は、砥粒一粒当たりの荷重が小さくなって、被削材すなわちＳｉＣのような高硬質脆性材に対する砥粒の切り込みすなわち食い込みが浅くなり、被削材に食いつかなくなる。反対に、気孔を除く研削面の砥粒数が７００個／ｃｍ^２を下回る場合は、砥粒一粒当たりのメタルボンド量が多く、磨滅した砥粒の目替わりが阻害されるという問題が生じる。本発明では、研削面上の砥粒数が７００から６５００個／ｃｍ^２とされることにより、砥粒の被削材に対する切り込み深さが確保され、高速送りでも低負荷で研削が可能となる。

また、好適には、前記砥粒は、ダイヤモンド砥粒であって、粒度は、中位径（メジアン径）で４μｍから２０μｍ、好適には、中位径で５μｍから１６μｍである。このようにすれば、ＳｉＣのような高硬質脆性材を、安定した研磨性能で、高能率且つ高寿命に研磨することができる高硬質脆性材用メタルボンド砥石が得られる。砥粒がたとえば中位径で２０μｍを超える粗さとなると、砥粒が深く食い込んで加工後の被削材へのダメージが大きくなり、次工程での負荷（加工時間）の増大を招く。砥粒がたとえば中位径で４μｍを下まわる細かさとなると、メタルボンドからの突出し量が小さくなって被削材へ食い込めず、粗加工に求められる研削能率と寿命の達成が困難となる。

また、好適には、前記高硬質脆性材用メタルボンド砥石は、４０から９５ＭＰａの砥石強度を備えている。このように、前記高硬質脆性材用メタルボンド砥石と同様の用途のビトリファイド砥石よりも約２倍から４倍の砥石強度が確保できるため、不必要な砥粒の脱落を防止でき、安定した負荷および切れ味で連続研削することが可能となる。砥石強度が９５ＭＰａを超えると砥石の砥粒の保持力が大きくなり過ぎ磨滅した砥粒が目替わりできず、結果としてボンド擦れを発生させる。反対に、砥石強度が４０Ｍｐａを下回ると、砥石の砥粒保持力が低下し過ぎ砥粒の脱落を誘発し、ボンド擦れを発生させる。

本実施例の一実施例の高硬質脆性材用メタルボンド砥石を示す斜視図である。 高硬質脆性材用メタルボンド砥石の一例を示すＳＥＭ写真である。 図１の高硬質脆性材用メタルボンド砥石を構成するセグメント型メタルボンド砥石の製造方法の要部を説明する工程図である。 図３の高硬質脆性材用メタルボンド砥石の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）は高硬質脆性材用メタルボンド砥石の構造を示す模式図、（ｂ）は高硬質脆性材用メタルボンド砥石の研削状態であって面当たり抑制作用を説明する模式図、（ｃ）は高硬質脆性材用メタルボンド砥石の研削状態であって気孔のチップポケット作用を説明する模式図である。 従来のビトリファイド砥石の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）はビトリファイド砥石の研削状態であって砥粒の破砕を説明する模式図、（ｂ）はビトリファイド砥石の研削状態であって砥粒の脱落を説明する模式図である。 従来のメタルボンド砥石の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）はメタルボンド砥石の砥粒が磨滅して脱落せず、砥粒が切れ込まない状態を示す模式図、（ｂ）はメタルボンド砥石の研削状態であって砥粒の磨滅の進行およびメタルボンドの面当たり状態を説明する模式図である。 メタルボンドの気孔径差による研削性能を示すために、メタルボンドの気孔径が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。 メタルボンドの気孔率差による研削性能を示すために、メタルボンドの気孔率が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。 研削面上の砥粒数差による研削性能を示すために、研削面上の砥粒数が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。 砥石強度差による研削性能を示すために、砥石強度が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の高硬質脆性材用カップ砥石１０を示す斜視図である。カップ砥石１０は、金属製たとえばアルミニウム製の円盤状の台金１２と、台金１２の下面の外周縁に沿って円環状に連ねて固着された複数個のセグメント砥石１４とを備えている。セグメント砥石１４は、台金１２の下面の外周部において円環状に連なる研削面１６をそれぞれ備えている。

台金１２は、金属製厚肉円板状を成し、図示しない研削装置の主軸に取り付けられることにより、カップ砥石１０が回転駆動される。カップ砥石１０は、２５０ｍｍ程度の外径を有し、セグメント砥石１４は３ｍｍ程度の厚みを有している。セグメント砥石１４は、台金１２の回転に伴って研削面１６を、ＳｉＣウエハ、サファイヤウエハなどの高硬質脆性材と摺接させ、その高硬質脆性材を平面状に研削する。

セグメント砥石１４は、図２のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真に示すように、本発明の高硬質脆性材用メタルボンド砥石に対応し、ダイヤモンド砥粒１８と、そのダイヤモンド砥粒１８を結合するメタルボンド２０と、メタルボンド２０に形成された気孔２２とを含み、直径が５０μｍφ以上２００μｍφ以下の気孔径と、５０体積％以上６５体積％以下の気孔率と、７００個／ｃｍ^２以上６５００個／ｃｍ^２以下の研削面１６上の砥粒数と、４０ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の砥石強度とを、備えるメタルボンド砥石である。なお、セグメント砥石１４は、その表層の研削層だけが上記メタルボンド砥石であってもよい。このセグメント砥石１４は、図３に例示する製造工程によって製造される。上記砥石強度は、砥粒と共に砥石を構成するメタルボンドの強度に実質的に対応している。

図３において、混合工程Ｐ１では、たとえば中位径が４から２０μｍ、好適には中位径が５から１０μｍ程度の粒度を有するダイヤモンド砥粒１８と、焼結によりメタルボンド（金属結合剤）２０を構成するための焼結金属粉体材料と、メタルボンド２０中に気孔２２を形成するための気孔形成剤とが、上記の５０μｍφ以上２００μｍφ以下の気孔径と、５０体積％以上６５体積％以下の気孔率と、７００個／ｃｍ^２以上６５００個／ｃｍ^２以下の研削面１６上の砥粒数と、４０ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の砥石強度を有するための所定の割合で調合された後、均一に混合される。ダイヤモンド砥粒は、セグメント砥石１４の研削面１６上の砥粒数を７００から６５００個／ｃｍ^２とする集中度となる割合で混合される。上記焼結金属粉体材料は、焼結後においてダイヤモンド砥粒を結合するためのものであり、主要となる金属材料と添加材料との混合材である。主要となる金属がコバルトであればコバルトボンド、スチールであればスチールボンド、タングステンであればタングステンボンド、ニッケルであればニッケルボンド、銅であれば銅ボンドと称される。ニッケルボンドには、たとえばＰ（燐）が添加され、銅ボンドには、たとえばＳｎ（錫）が添加される。そして、気孔形成剤は、ナフタリン、ポリスチレンや架橋アクリルなどの平均径が５０から２００μｍφの粒径を有するメタルボンド２０内から焼失や溶失によって消失可能な粒子であり、５０から６５体積％の気孔率が得られる割合で、混合される。ここで、ダイヤモンド砥粒１８の粒度を示す上記の中位径（メジアン径）は、日本工業規格（ＪＩＳ Ｚ ８８２５：２０１３）に規定された粒径であり、（株）堀場製作所製のレーザ回折／散乱式粒子径分布測定装置（ＬＡ−９６０Ｖ２）を用いて測定された体積基準のＤ５０の値である。

成形工程Ｐ２では、混合工程Ｐ１で混合された材料を所定の成形金型内に充填し、プレスによりセグメント砥石１４と同様の所定厚みの円弧状に成形する。続く焼結工程Ｐ３では、焼結金属粉体材料を焼結させるためにたとえば４００から９００℃に予め設定された焼結温度の焼成炉中で熱処理が施され、メタルボンド砥石であるセグメント砥石１４が製造される。続いて、接着工程Ｐ４において、複数個のセグメント砥石１４が図１に示すように台金１２に接着される。そして、仕上げ工程Ｐ５において、台金１２に接着されたセグメント砥石１４の仕上げがドレッサを用いて行なわれる。

図４は、セグメント砥石１４の構造および研削作用を説明する模式図であって、（ａ）はセグメント砥石１４の構造を示す模式図、（ｂ）はセグメント砥石１４の研削状態であってメタルボンド２０の面当たり抑制作用を説明する模式図、（ｃ）はセグメント砥石１４の研削状態であって気孔２２のチップポケット作用を説明する模式図である。（ａ）に示されるように、セグメント砥石１４のメタルボンド２０には、ダイヤモンド砥粒１８と気孔２２とが含まれており、気孔２２は直径が５０から２００μｍφの気孔径と、５０から６５体積％の気孔率とを備えている。そして、セグメント砥石１４の気孔２２を除く研削面１６には、気孔２２の一部が開口してチップポケットとして寄与しているとともに、７００から６５００個／ｃｍ^２の面密度でダイヤモンド砥粒１８が突き出している。これにより、（ｂ）および（ｃ）に示されるように、ＳｉＣウエハ、サファイヤウエハなどの高硬質脆性材である被削材３０に対するメタルボンド２０の接触面積が低減されるとともに、被削材３０に対する砥粒１８の接触面圧が高められる。研削面１６に開口した気孔２２はチップポケットとして機能し、研削時の切り屑３２が一時的に収容されて研削面１６から排出されるとともに、研削面１６への研削液の供給を容易とされ、研削面１６の冷却が促進される。

図５は、特許文献１に示されるような従来のビトリファイド砥石８０の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）はビトリファイド砥石８０の研削状態であって砥粒の破砕を説明する模式図、（ｂ）はビトリファイド砥石８０の研削状態であって砥粒の脱落を説明する模式図である。ビトリファイド砥石８０は、砥粒８２がビトリファイドボンド８４によって結合された有気孔の砥石である。このようなビトリファイド砥石８０は、高硬質脆性材である被削材３０を研削する場合には、集中度が１００以上で砥粒保持力が弱いことから、図５（ａ）に示すように砥粒８２に負荷がかかると、図５（ｂ）に示すように砥粒８２の脱落が多く、砥石寿命が得られなかった。

図６は、特許文献２に示されるような、従来のメタルボンド砥石９０の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）はメタルボンド砥石９０の銅、錫、コバルト、ニッケル等の金属粉末を混合した高強度且つ高硬度のメタルボンド９４により結合された砥粒９２が磨滅しても脱落せず、砥粒９２が切れ込まない状態を示す模式図、（ｂ）はメタルボンド砥石９０の研削状態であって砥粒９２の磨滅の進行およびメタルボンド９４の面当たりが進行した状態を説明する模式図である。このようなメタルボンド砥石９０は、高硬質脆性材である被削材３０を研削する場合には、集中度が５０から１００であり、組織が密となっていて砥粒保持力は強いので、砥石寿命が得られる。しかし、図６（ａ）に示すように高硬度材の研削時に砥粒９２に負荷がかかって破砕しても脱落せず、図６（ｂ）に示すように目つぶれ傾向となり、メタルボンド９４が被削材３０に面擦れ状態となるので、ビトリファイド砥石８０と比較して切れ味が鈍いという欠点があった。なお、図６（ａ）および（ｂ）において、フィラー９６が示されているが、必ずしも設けられなくてもよい。

以下に、本発明者が行なった研削加工試験を説明する。図７から図１０は、図３に示す工程で製造された、中位径が５から１０μｍのダイヤモンド砥粒を含む複数種類の砥石試料を用いて表１に示す研削加工試験条件で研削したときの研削試験の評価結果（研削抵抗および砥石摩耗率）をそれぞれ示している。図７は、メタルボンドの気孔径差による研削性能を評価した「研削試験１」の結果と、それに用いた複数種類の砥石試料の特性値を示している。図８は、メタルボンドの気孔率差による研削性能を評価した「研削試験２」の結果と、それに用いた複数種類の砥石試料の特性値を示している。図９は、研削面上の砥粒数差による研削性能を評価した「研削試験３」の結果と、それに用いた複数種類の砥石試料の特性値を示している。図１０は、砥石強度差による研削性能を評価した「研削試験４」の結果と、それに用いた複数種類の砥石試料の特性値を示している。

（表１）
研削加工試験条件
研削機械 平面研削盤（インフィード方式）
研削方法 湿式平面研削
加工物 ４インチ単結晶ＳｉＣウエハ
加工条件 砥石回転数 ２４００ｒｐｍ
ウエハ回転数 ４００ｒｐｍ
切込み速度 ０．５μｍ／ｓｅｃ．
加工取り代 ２００μｍ
試験砥石 カップ砥石 直径２５０ｍｍ
セグメント砥石 幅３ｍｍ
研削液 市水

次に、上記の試験に用いられた砥石試料の気孔径（μｍφ）、気孔率（％）、研削面上の砥粒数（個／ｃｍ^２）、砥石強度（ＭＰａ）、研削抵抗（Ａ）、および砥石摩耗率（％）の測定方法を、以下に説明する。上記気孔径は、砥石試料の研削面の５００倍の拡大画像１０枚において、気孔について長径および短径の平均径をそれぞれ測定して全５０個の気孔の平均値を算出した値である。上記気孔率は、砥石試料の体積および重量から密度を算出し、予め求められた密度と気孔率（体積％）との関係を示す検量線から、チップ状試験片の気孔率を算出した値である。砥粒数は、砥石試料の気孔を除く研削面の５００倍の拡大画像において２値化処理を行なった後に、単位面積（ｃｍ^２）当たりの砥粒数を計数した値である。上記砥石強度は、長さ４０ｍｍ×幅７ｍｍ×厚み４ｍｍの砥石試験片を複数個用いて３点曲げ試験をおこなったときの破壊に至る平均強度値である。上記研削抵抗は、表１の研削加工試験条件を用いた研削において、カップ砥石を回転駆動する電動機の駆動電流値である。砥石摩耗率は、前記表１の研削加工試験条件を用いた１回の研削における砥石試料の摩耗量を割合で示したものである。

（研削試験１）
図７に示すように、気孔率が５０（体積％）、気孔を除く研削面上の砥粒数が２３００（個／ｃｍ^２）を共に有しているが、３０（μｍφ）、５０（μｍφ）、８０（μｍφ）、１００（μｍφ）、１２０（μｍφ）、２００（μｍφ）、２５０（μｍφ）という気孔径を有する７種類の砥石試料Ｎｏ．１−７をそれぞれ複数個（各５個）作成した。このようにして得られた砥石試料Ｎｏ．１−７の砥石強度を測定すると、砥石強度は３７−６８（ＭＰａ）であった。なお、図７の気孔径、気孔率、砥粒数は、設計上のねらい値であって、調合によって決まる平均値である。次いで、砥石試料Ｎｏ．１−７を用いて表１に示す研削加工試験条件でそれぞれ研削することにより、各砥石試料Ｎｏ．１−７の評価を行なった。図７に示すように、気孔径が３０（μｍφ）である砥石試料Ｎｏ．１は、気孔２２が小さすぎて気孔２２によるチップポケット作用が充分に得られず、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。また、気孔径が２５０（μｍφ）である砥石試料Ｎｏ．７は、気孔２２が大きすぎて砥石のエッジ部が欠けやすくなるので、図７では製造不可と示している。この砥石試料Ｎｏ．７は、エッジ部以外の箇所で測定は可能であったが、研削加工は不可であった。これに対して、気孔径が５０（μｍφ）、８０（μｍφ）、１００（μｍφ）、１２０（μｍφ）、および２００（μｍφ）である砥石試料Ｎｏ．２、３、４、５、６は、研削抵抗が１２．１Ａから１３．３Ａであり、砥石摩耗率が４．２％から８．７％であって、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られた。

（研削試験２）
図８に示すように、気孔径が８０（μｍφ）、研削面上の気孔を除く砥粒数が２３００（個／ｃｍ^２）を共に有しているが、３０（体積％）、４０（体積％）、５０（体積％）、６０（体積％）、６５（体積％）、７０（体積％）という気孔率を有する６種類の砥石試料Ｎｏ．１１−１６をそれぞれ複数個（各５個）作成した。このようにして得られた砥石試料Ｎｏ．１１−１６の砥石強度を測定すると、砥石強度は２８−７３（ＭＰａ）であった。なお、研削試験１と同様に、図８の気孔径、気孔率、砥粒数は、設計上のねらい値であって、調合によって決まる平均値である。次いで、砥石試料Ｎｏ．１１−１６を用いて表１に示す研削加工試験条件でそれぞれ研削することにより、各砥石試料Ｎｏ．１１−１６の評価を行なった。図８に示すように、気孔率が３０（体積％）および４０（体積％）である砥石試料Ｎｏ．１１および１２は、気孔２２が少なすぎて気孔２２によるチップポケット作用が充分に得られず、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。また、気孔率が７０（体積％）である砥石試料Ｎｏ．１６は、気孔２２の体積が大きすぎて安定に製造することができず、研削加工の評価が不可であった。これに対して、気孔率が５０（体積％）、６０（体積％）、および６５（体積％）である砥石試料Ｎｏ．１３、１４、および１５は、研削抵抗が１２．０Ａから１２．７Ａであり、砥石摩耗率が６．２％から８．５％であって、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られた。

（研削試験３）
図９に示すように、気孔径が８０（μｍφ）、気孔率が６０（体積％）を共に有しているが、５００（個／ｃｍ^２）、７００（個／ｃｍ^２）、１６５０（個／ｃｍ^２）、２３００（個／ｃｍ^２）、３６５０（個／ｃｍ^２）、５８００（個／ｃｍ^２）、６５００（個／ｃｍ^２）、７６００（個／ｃｍ^２）という単位面積当たりの砥粒数を研削面に有する８種類の砥石試料Ｎｏ．２１−２８をそれぞれ複数個（各５個）作成した。このようにして得られた砥石試料Ｎｏ．２１−２８の砥石強度を測定すると、砥石強度は４４−１１５（ＭＰａ）であった。なお、研削試験１と同様に、図９の気孔径、気孔率、砥粒数は、設計上のねらい値であって、調合によって決まる平均値である。次いで、砥石試料Ｎｏ．２１−２８を用いて表１に示す研削加工試験条件でそれぞれ研削することにより、各砥石試料Ｎｏ．２１−２８の評価を行なった。図９に示すように、単位面積当たりの砥粒数が５００（個／ｃｍ^２）である砥石試料Ｎｏ．２１は、砥粒数が少なく研削能力が充分に得られず、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。また、砥粒数が７６００、気孔率が７０（個／ｃｍ^２）である砥石試料Ｎｏ．２８は、単位面積当たりの砥粒数が多すぎて、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。これに対して、砥粒数が７００（個／ｃｍ^２）、１６５０（個／ｃｍ^２）、２３００（個／ｃｍ^２）、３６５０（個／ｃｍ^２）、５８００（個／ｃｍ^２）、および６５００（個／ｃｍ^２）である砥石試料Ｎｏ．２２、２３、２４、２５、２６、および２７は、研削抵抗が１０．９Ａから１４．９Ａであり、砥石摩耗率が３．８％から１０．７％であって、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られた。

（研削試験４）
図１０に示すように、気孔径が８０（μｍφ）、気孔率が６０（体積％）、研削面上の砥粒数が２３００（個／ｃｍ^２）を共に有しているが、砥石強度の狙い値が３０（ＭＰａ）、４０（ＭＰａ）、７０（ＭＰａ）、９５（ＭＰａ）、１０５（ＭＰａ）である５種類の砥石試料Ｎｏ．３１−３５をそれぞれ複数個（各５個）作成した。このようにして得られた砥石試料Ｎｏ．２１−２８の砥石強度を測定すると、砥石強度は図１０に示すように２０−３７（ＭＰａ）、４０−４９（ＭＰａ）、６５−７７（ＭＰａ）、８０−９５（ＭＰａ）、９７−１０６（ＭＰａ）であった。なお、研削試験１と同様に、図１０の気孔径、気孔率、砥粒数は、設計上のねらい値であって、調合によって決まる平均値である。次いで、砥石試料Ｎｏ．３１−３５を用いて表１に示す研削加工試験条件でそれぞれ研削することにより、各砥石試料Ｎｏ．３１−３５の評価を行なった。図１０に示すように、砥石強度が３０（ＭＰａ）である砥石試料Ｎｏ．３１は、砥石強度が低いので、メタルボンドの強度が低く砥粒の脱落が多いので、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。また、砥石強度が１０５（ＭＰａ）である砥石試料Ｎｏ．３５は、砥石強度が高いので、メタルボンドの強度が高く砥粒の脱落が少なすぎるので、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。これに対して、砥石強度が４０（ＭＰａ）、７０（ＭＰａ）、および９５（ＭＰａ）である砥石試料Ｎｏ．３２、３３、および３４は、研削抵抗が１１．０Ａから１２．８Ａであり、砥石摩耗率が６．７％から９．７％であって、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られた。

研削試験１−４から明らかなように、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られると評価される研削抵抗が１５Ａ以下且つ砥石摩耗率が１１％以下という評価は、直径が５０μｍ以上２００μｍ以下の気孔径と、５０体積％以上６５体積％以下の気孔率と、７００個／ｃｍ^２以上６５００個／ｃｍ^２以下の研削面１６上の砥粒数と、４０ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の砥石強度とを、備えることで、実現される。

上述のように、本実施例のカップ砥石１０のセグメント砥石（高硬質脆性材用メタルボンド砥石）１４は、直径が５０から２００μｍの気孔径と、セグメント砥石１４全体に対し５０から６５体積％の気孔率と、７００から６５００個／ｃｍ^２の研削面１６上の砥粒数と、４０から９５ＭＰａの砥石強度とを、備えている。このように、直径が５０から２００μｍの気孔径と５０から６５体積％の気孔率とを備えているため、脱落した砥粒１８および切り屑３２が気孔２２内に捕捉されて目詰まりが抑制される。

ここで、本実施例のセグメント砥石（高硬質脆性材用メタルボンド砥石）１４によれば、気孔２２を除いた研削面上において７００から６５００個／ｃｍ^２の砥粒数を備えている。このように、気孔２２を除いた研削面上の砥粒数が７００から６５００個／ｃｍ^２とされることにより、砥粒１８の被削材３０に対する切り込み深さが確保され、高速送りでも低負荷で研削が可能となる。高硬質脆性材用メタルボンド砥石が上記のような有気孔構造であるとき、気孔２２を除く研削面１６の砥粒数が６５００個／ｃｍ^２を超える場合は、砥粒一粒当たりの荷重が小さくなって、被削材３０すなわちＳｉＣのような高硬質脆性材に対する砥粒１８の切り込みすなわち食い込みが浅くなり、被削材３０に食いつかなくなる。反対に、気孔２２を除く研削面１６の砥粒数が７００個／ｃｍ^２を下回る場合は、砥粒一粒当たりのメタルボンド量が多く、磨滅した砥粒１６の目替わりが阻害されるという問題が生じる。本実施例では、研削面上の砥粒数が７００から６５００個／ｃｍ^２とされることにより、砥粒１８の被削材３０に対する切り込み深さが確保され、高速送りでも低負荷で研削が可能となる。

また、本実施例では、砥粒１８は、ダイヤモンド砥粒であって、粒度は、中位径で４から２０μｍ、好適には、中位径で５から１６μｍである。このようにすれば、ＳｉＣのような高硬質脆性材である被削材３０を、安定した研磨性能で、高能率且つ高寿命に研磨することができるセグメント砥石（高硬質脆性材用メタルボンド砥石）１４が得られる。砥粒１８がたとえば中位径で２０μｍを上まわる粗さとなると、砥粒１８が深く食い込んで加工後の被削材３０へのダメージが大きくなり、次工程での負荷（加工時間）の増大を招く。砥粒１８がたとえば中位径で４μｍを下まわる細かさとなると、メタルボンドからの突出し量が小さくなって被削材３０へ食い込めず、粗加工に求められる研削能率と寿命の達成が困難となる。

また、本実施例のセグメント砥石（高硬質脆性材用メタルボンド砥石）１４によれば、４０から９５ＭＰａの砥石強度を備えている。このように、前記高硬質脆性材用メタルボンド砥石と同様の用途のビトリファイド砥石よりも約２倍から４倍の砥石強度が確保できるため、不必要な砥粒の脱落を防止でき、安定した負荷および切れ味で連続研削することが可能となる。砥石強度が９５ＭＰａを超えるとセグメント砥石の砥粒１８の保持力が大きくなり過ぎ磨滅した砥粒が目替わりできず、結果としてボンド擦れを発生させる。反対に、砥石強度が４０Ｍｐａを下回ると、セグメント砥石１４の砥粒１８の保持力が低下し過ぎ砥粒１８の脱落を誘発し、ボンド擦れを発生させる。

以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、別の態様でも実施され得る。

たとえば、前述の実施例では、台金１２に固定された円弧状のセグメント砥石１４が高硬質脆性材用メタルボンド砥石であったが、円盤状に形成された高硬質脆性材用メタルボンド砥石であってもよい。

また、セグメント砥石１４において、砥石のうちの研削に関与する一部たとえば研削面１６側の一部に形成された砥石層が、高硬質脆性材用メタルボンド砥石であってもよい。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、その他一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：カップ砥石
１２：台金
１４：セグメント砥石（高硬質脆性材用メタルボンド砥石）
１６：研削面
１８：ダイヤモンド砥粒
２０：メタルボンド
２２：気孔
３０：被削材（高硬質脆性材）
３２：切り屑

従来の高強度且つ高硬度なメタルボンド砥石は、砥粒の集中度が５０から１００であって、砥粒を保持する金属結合剤は溶融金属のような凝固体であるため、無気孔の密な構造となっている。本発明者等は、上記事情を背景として種々検討を重ねた結果、このようなメタルボンド砥石が高能率研削と長寿命との両立が困難な理由は、磨滅した砥粒が脱落せずに被削材とメタルボンド面とが擦れてしまい、研削抵抗の増大によって切れ味が鈍化する点であるということを見出した。そこで、本発明者は、それらの点が解消されるように被削材とメタルボンド面の擦れを低減すると、ＳｉＣのような高硬質脆性材を、安定した研磨性能で、高能率且つ高寿命に研削することができるメタルボンド砥石が得られるという事実を見出した。本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

本発明の一実施例の高硬質脆性材用メタルボンド砥石を示す斜視図である。 高硬質脆性材用メタルボンド砥石の一例を示すＳＥＭ写真である。 図１の高硬質脆性材用メタルボンド砥石を構成するセグメント型メタルボンド砥石の製造方法の要部を説明する工程図である。 図３の高硬質脆性材用メタルボンド砥石の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）は高硬質脆性材用メタルボンド砥石の構造を示す模式図、（ｂ）は高硬質脆性材用メタルボンド砥石の研削状態であって面当たり抑制作用を説明する模式図、（ｃ）は高硬質脆性材用メタルボンド砥石の研削状態であって気孔のチップポケット作用を説明する模式図である。 従来のビトリファイド砥石の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）はビトリファイド砥石の研削状態であって砥粒の破砕を説明する模式図、（ｂ）はビトリファイド砥石の研削状態であって砥粒の脱落を説明する模式図である。 従来のメタルボンド砥石の構造および研削作用を説明する図であって、（ａ）はメタルボンド砥石の砥粒が磨滅して脱落せず、砥粒が切れ込まない状態を示す模式図、（ｂ）はメタルボンド砥石の研削状態であって砥粒の磨滅の進行およびメタルボンドの面当たり状態を説明する模式図である。 メタルボンドの気孔径差による研削性能を示すために、メタルボンドの気孔径が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。 メタルボンドの気孔率差による研削性能を示すために、メタルボンドの気孔率が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。 研削面上の砥粒数差による研削性能を示すために、研削面上の砥粒数が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。 砥石強度差による研削性能を示すために、砥石強度が異なる複数種類のメタルボンド砥石試料についての評価結果を示す図である。

（研削試験１）
図７に示すように、気孔率が５０（体積％）、気孔を除く研削面上の砥粒数が２３００（個／ｃｍ^２）を共に有しているが、３０（μｍφ）、５０（μｍφ）、８０（μｍφ）、１００（μｍφ）、１５０（μｍφ）、２００（μｍφ）、２５０（μｍφ）という気孔径を有する７種類の砥石試料Ｎｏ．１−７をそれぞれ複数個（各５個）作成した。このようにして得られた砥石試料Ｎｏ．１−７の砥石強度を測定すると、砥石強度は３７−６８（ＭＰａ）であった。なお、図７の気孔径、気孔率、砥粒数は、設計上のねらい値であって、調合によって決まる平均値である。次いで、砥石試料Ｎｏ．１−７を用いて表１に示す研削加工試験条件でそれぞれ研削することにより、各砥石試料Ｎｏ．１−７の評価を行なった。図７に示すように、気孔径が３０（μｍφ）である砥石試料Ｎｏ．１は、気孔２２が小さすぎて気孔２２によるチップポケット作用が充分に得られず、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。また、気孔径が２５０（μｍφ）である砥石試料Ｎｏ．７は、気孔２２が大きすぎて砥石のエッジ部が欠けやすくなるので、図７では製造不可と示している。この砥石試料Ｎｏ．７は、エッジ部以外の箇所で測定は可能であったが、研削加工は不可であった。これに対して、気孔径が５０（μｍφ）、８０（μｍφ）、１００（μｍφ）、１５０（μｍφ）、および２００（μｍφ）である砥石試料Ｎｏ．２、３、４、５、６は、研削抵抗が１２．１Ａから１３．３Ａであり、砥石摩耗率が４．２％から８．７％であって、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られた。

（研削試験３）
図９に示すように、気孔径が８０（μｍφ）、気孔率が６０（体積％）を共に有しているが、５００（個／ｃｍ^２）、７００（個／ｃｍ^２）、１６５０（個／ｃｍ^２）、２３００（個／ｃｍ^２）、３６５０（個／ｃｍ^２）、５８００（個／ｃｍ^２）、６５００（個／ｃｍ^２）、７６００（個／ｃｍ^２）という単位面積当たりの砥粒数を研削面に有する８種類の砥石試料Ｎｏ．２１−２８をそれぞれ複数個（各５個）作成した。このようにして得られた砥石試料Ｎｏ．２１−２８の砥石強度を測定すると、砥石強度は４４−１１５（ＭＰａ）であった。なお、研削試験１と同様に、図９の気孔径、気孔率、砥粒数は、設計上のねらい値であって、調合によって決まる平均値である。次いで、砥石試料Ｎｏ．２１−２８を用いて表１に示す研削加工試験条件でそれぞれ研削することにより、各砥石試料Ｎｏ．２１−２８の評価を行なった。図９に示すように、単位面積当たりの砥粒数が５００（個／ｃｍ^２）である砥石試料Ｎｏ．２１は、砥粒数が少なく研削能力が充分に得られず、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。また、砥粒数が７６００である砥石試料Ｎｏ．２８は、単位面積当たりの砥粒数が多すぎて、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。これに対して、砥粒数が７００（個／ｃｍ^２）、１６５０（個／ｃｍ^２）、２３００（個／ｃｍ^２）、３６５０（個／ｃｍ^２）、５８００（個／ｃｍ^２）、および６５００（個／ｃｍ^２）である砥石試料Ｎｏ．２２、２３、２４、２５、２６、および２７は、研削抵抗が１０．９Ａから１４．９Ａであり、砥石摩耗率が３．８％から１０．７％であって、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られた。

（研削試験４）
図１０に示すように、気孔径が８０（μｍφ）、気孔率が６０（体積％）、研削面上の砥粒数が２３００（個／ｃｍ^２）を共に有しているが、砥石強度の狙い値が３０（ＭＰａ）、４０（ＭＰａ）、７０（ＭＰａ）、９５（ＭＰａ）、１０５（ＭＰａ）である５種類の砥石試料Ｎｏ．３１−３５をそれぞれ複数個（各５個）作成した。このようにして得られた砥石試料Ｎｏ．３１−３５の砥石強度を測定すると、砥石強度は図１０に示すように２０−３７（ＭＰａ）、４０−４９（ＭＰａ）、６５−７７（ＭＰａ）、８０−９５（ＭＰａ）、９７−１０６（ＭＰａ）であった。なお、研削試験１と同様に、図１０の気孔径、気孔率、砥粒数は、設計上のねらい値であって、調合によって決まる平均値である。次いで、砥石試料Ｎｏ．３１−３５を用いて表１に示す研削加工試験条件でそれぞれ研削することにより、各砥石試料Ｎｏ．３１−３５の評価を行なった。図１０に示すように、砥石強度が３０（ＭＰａ）である砥石試料Ｎｏ．３１は、砥石強度が低いので、メタルボンドの強度が低く砥粒の脱落が多いので、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。また、砥石強度が１０５（ＭＰａ）である砥石試料Ｎｏ．３５は、砥石強度が高いので、メタルボンドの強度が高く砥粒の脱落が少なすぎるので、単結晶ＳｉＣウエハに対する研削加工の評価が不可であった。これに対して、砥石強度が４０（ＭＰａ）、７０（ＭＰａ）、および９５（ＭＰａ）である砥石試料Ｎｏ．３２、３３、および３４は、研削抵抗が１１．０Ａから１２．８Ａであり、砥石摩耗率が６．７％から９．７％であって、単結晶ＳｉＣウエハに対する良好な研削が得られた。

ここで、本実施例のセグメント砥石（高硬質脆性材用メタルボンド砥石）１４によれば、気孔２２を除いた研削面上において７００から６５００個／ｃｍ^２の砥粒数を備えている。このように、気孔２２を除いた研削面上の砥粒数が７００から６５００個／ｃｍ^２とされることにより、砥粒１８の被削材３０に対する切り込み深さが確保され、高速送りでも低負荷で研削が可能となる。高硬質脆性材用メタルボンド砥石が上記のような有気孔構造であるとき、気孔２２を除く研削面１６の砥粒数が６５００個／ｃｍ^２を超える場合は、砥粒一粒当たりの荷重が小さくなって、被削材３０すなわちＳｉＣのような高硬質脆性材に対する砥粒１８の切り込みすなわち食い込みが浅くなり、被削材３０に食いつかなくなる。反対に、気孔２２を除く研削面１６の砥粒数が７００個／ｃｍ^２を下回る場合は、砥粒一粒当たりのメタルボンド量が多く、磨滅した砥粒１８の目替わりが阻害されるという問題が生じる。本実施例では、研削面上の砥粒数が７００から６５００個／ｃｍ^２とされることにより、砥粒１８の被削材３０に対する切り込み深さが確保され、高速送りでも低負荷で研削が可能となる。

Claims (4)

1. 砥粒がメタルボンドにより結合された、高硬質脆性材を研削するための高硬質脆性材用メタルボンド砥石であって、
   前記高硬質脆性材用メタルボンド砥石全体に対し気孔径が５０から２００μｍの気孔が、５０から６５体積％の気孔率で備えられている
   ことを特徴とする高硬質脆性材用メタルボンド砥石。
2. 前記気孔を除いた研削面上において７００から６５００個／ｃｍ^２の砥粒数を備えている
   ことを特徴とする請求項１の高硬質脆性材用メタルボンド砥石。
3. 前記砥粒は、ダイヤモンド砥粒であって、中位径が４から２０μｍの粒度である
   ことを特徴とする請求項１又は２の高硬質脆性材用メタルボンド砥石。
4. ４０から９５ＭＰａの砥石強度を備えている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１の高硬質脆性材用メタルボンド砥石。

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