KR20160139049A - 숫돌 및 그것을 이용한 연삭·연마 장치 - Google Patents

Abstract

거친 가공, 랩 가공, 연마 가공의 3공정을 동일한 장치로 행할 수 있는데다가, 양면 가공도 가능하게 하고, 계속적으로 사용하더라도 가공 속도가 저하되지 않으며, 드레싱을 생략할 수 있는 숫돌 및 그것을 이용한 연삭·연마 장치를 제공한다. 피가공물을 연삭·연마하는 숫돌로서, 상기 피가공물을 연삭·연마하는 지립 및 결합재로 이루어지고, 연삭·연마하는 면의 깊이 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥과, 당해 숫돌 기둥과 일체로 형성되는 숫돌 매트릭스를 가지는 것을 특징으로 하는 숫돌 및 그것을 이용한 연삭·연마 장치.

Description

숫돌 및 그것을 이용한 연삭·연마 장치{GRINDSTONE AND GRINDING/POLISHING DEVICE USING SAME}

본 발명은, 피가공물을 연삭·연마하는 숫돌 및 그 숫돌을 이용한 연삭·연마 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 세라믹, 실리콘 웨이퍼, SiC, 알루미나, 사파이어, 금속이나 합금 등의 피가공물을 연삭·연마하는 숫돌 및 그 숫돌을 이용한 연삭·연마 장치에 관한 것이다.

숫돌은 경질의 입자 즉 지립(砥粒)을 결합재로 굳혀 형성되는 공구이다. 숫돌을 이용한 가공에는, 연삭 가공과 연마 가공이 있고, 습관적으로는 거친 가공은 연삭 가공이라고 불리고, 마무리 가공은 연마 가공이라고 불리고 있다. 이들의 가공은, 숫돌을 피가공물 즉 워크에 꽉 누른 상태 하에서 숫돌과 피가공물을 상대적으로 이동시킴으로써 피가공물 표면 즉 피가공면을 지립에 의해 다수의 부스러기로서 깎아내는 가공이며, 이 명세서에서는 연삭·연마란, 연삭 가공 및 연마 가공의 양자를 말한다.

숫돌을 이용한 연삭·연마 가공에는, 피가공물의 원통 형상의 외주면을 가공하는 원통 연삭·연마 가공, 피가공물의 원통 형상의 내주면을 가공하는 내면 연삭·연마 가공, 피가공물의 평탄면을 가공하는 평면 연삭·연마 가공이 있다. 외주면이나 내주면을 가공하기 위한 숫돌로서는, 원통 형상의 가공면이 설치된 숫돌이 사용된다. 또, 평면을 가공하기 위한 숫돌로서는, 외주면에 가공면이 설치된 원통형의 숫돌 또는 평탄한 단면(端面)에 가공면이 설치된 컵형, 링형 및 디스크형의 숫돌이 사용된다.

숫돌에 관해서는, 종래부터 다양한 제안이 이루어져 있고, 예를 들면, 일본국 공개특허 특개소63-150163호 공보(하기 특허문헌 1)에는, 지립 입자를 합성 수지로 접착한 연속 미세 기공을 가지는 삼차원 망상(網狀) 조직을 구비한 구조체이며, 지립의 체적비, 결합 강도 등을 규정하는 숫돌이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 발명은, 지립을 합성 수지 등으로 고착하는 구조 등은 본 발명과 유사하다.

또, 일본국 공개특허 특개소64-40279호 공보(하기 특허문헌 2)에는, 지립을 본드층에 고정한 지립 고정식 연마 부재에 있어서 상기 지립을 세라믹 섬유 또는 금속 와이어로 하고, 이들 섬유 와이어의 길이측 연마면에 대하여 교차하도록 배치한 연마 공구 부재가 기재되어 있다.

또, 일본국 공개특허 특개2000-198073호 공보(하기 특허문헌 3)에는, 복수의 초미립자 지립을 응집한 응집 지립과 응집 지립을 혼련하여 굳힌 숫돌을 형성하는 수지로 이루어지는 연마 숫돌이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 1∼3에 기재된 발명은, 본 발명과 같이 숫돌 기둥을, 연삭·연마하는 면의 깊이 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 것이 아닌 다른 발명이다.

일본국 공개특허 특개소63-150163호 공보 일본국 공개특허 특개소64-040279호 공보 일본국 공개특허 특개2000-198073호 공보

특히, 전자 재료 등의 소재는 단단하면서 깨지기 쉬운 피가공물이 많고, 난(難) 가공성이 제품의 높은 비용으로 이어진다. 그 가공법은 다이아몬드 등을 사용한 숫돌에 의한 조(粗)가공을 최초로 행하고, 다음에 랩 가공, 최종적으로 연마 가공에 의한 것이 통상 행해지고 있다.

종래형 숫돌에 의한 연삭 가공은 고속 가공이 가능하지만 마무리면이 거칠어 소재 표면 및 표면하에 결함도 만들어버린다. 조가공은 통상 가공 속도가 빠르기 때문에 치수 정밀도를 내는 것에는 적합하지 않다. 연마 가공은 부유(浮游) 지립에 의한 가공으로 가공 속도가 느린 결점이 있지만, 마무리면이 매끄러워 소재 중에 결함을 남기지 않을 뿐만 아니라, 오히려 조가공 중에 발생하는 결함의 제거에 사용되어진다. 랩 가공은 이들의 중간에 있는 가공법이다. 통상 이들의 3공정을 별개의 기계로 행하여 공정 자체가 느린데다가, 각 공정으로의 교체에 시간이 많이 걸렸다.

그래서 본 발명은, 거친 가공, 랩 가공, 연마 가공의 3공정을 동일한 장치로 행할 수 있는데다가, 양면 가공도 가능하게 하여, 계속적으로 사용하더라도 가공 속도가 저하되지 않으며, 드레싱을 생략, 또는 드레싱 횟수를 줄일 수 있는 숫돌 및 그것을 이용한 연삭·연마 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은, 전술의 과제를 해결하기 위해, 숫돌의 구조에 대하여 예의 검토한 결과 이루어진 것이며, 그 요지로 하는 점은, 특허청구의 범위에 기재된 대로의 하기 내용이다.

(1) 피가공물을 연삭·연마하는 숫돌로서, 상기 피가공물을 연삭·연마하는 지립 및 결합재로 이루어지고, 연삭·연마하는 면의 깊이 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥과, 당해 숫돌 기둥과 일체로 형성되는 숫돌 매트릭스를 가지고, 상기 숫돌 기둥과 숫돌 매트릭스는 모두 지립과 결합재로 이루어지며 숫돌 기둥 속의 지립은 숫돌 매트릭스의 지립보다 경도가 높은 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 숫돌.

(2) 상기 피가공물을 연삭·연마하는 면이 평면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 숫돌.

(3) 상기 숫돌 기둥 및 숫돌 매트릭스는 기공률 20∼60체적%의 다공체인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 숫돌.

(4) 냉각액, 화학 연마제를 가지는 슬러리, 또는 이들의 혼합물을 상기 기공을 통하여 상기 피가공물과 상기 숫돌의 사이에 공급하는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 숫돌.

(5) 진공 펌프 등의 진공 장치를 이용하여 상기 기공을 통하여 상기 피가공물과 상기 숫돌의 사이를 감압하는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 숫돌.

(6) 상기 숫돌이 피가공물의 양면에 장착되어 있음으로써, 양면 가공이 가능한 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (5) 중 어느 한 항에 기재된 숫돌.

(7) 상기 숫돌의 연삭·연마면의 뒷부분으로부터 직접, 액체나 기체를 연속적 내지는 펄스 형상으로 내보내어 숫돌의 눈막힘을 방지하고 연속 가공이 가능한 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (6) 중 어느 한 항에 기재된 숫돌.

(8) 상기 숫돌의 연삭·연마면의 뒷부분으로부터 직접, 액체나 기체를 내보내어 연삭·연마면에 피가공물이 접착하는 것을 방지하고 가공 후에 피가공물을 취출하기 쉽게 한 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (7) 중 어느 한 항에 기재된 숫돌.

(9) (1) ∼ (8) 중 어느 한 항에 기재된 숫돌을 이용하는 것을 특징으로 하는 연삭·연마 장치.

작용

본 발명 (1)에 의하면, 피가공물을 연삭·연마하는 지립 및 결합재로 이루어지고, 연삭·연마하는 면의 깊이 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥을 가지므로, 연삭·연마면에 노출된 지립이 탈락하더라도, 그 하층에 묻혀 있던 지립이 노출됨으로써, 가공 속도를 유지하면서, 계속하여, 연삭·연마를 행할 수 있다. 또, 상기 숫돌 기둥과 숫돌 매트릭스는 모두 지립과 결합재로 이루어지며 숫돌 기둥 속의 지립은 숫돌 매트릭스의 지립보다 경도가 높은 것으로 이루어짐으로써, 숫돌 매트릭스가 숫돌 기둥보다 마모가 크고, 영률(Young's modulus)의 차이에 의해 숫돌 매트릭스가 숫돌 기둥보다 내려가기 때문에, 항상 지립 기둥의 지립을 노출시켜 둘 수 있고, 전자 재료 등의 단단하면서 깨지기 쉬운 피가공물을 연삭·연마할 수 있다.

본 발명 (2)에 의하면, 피가공물을 연삭·연마하는 면이 평면 또는 곡면임으로써, 피가공물이 평면 형상인 경우뿐만 아니라, 예를 들면, 디스크 형상의 숫돌의 외주(外周)에, 디스크 형상의 반경 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥을 곡면 형상으로 배치함으로써, 피가공물의 형상에 따른 연삭·연마를 행할 수 있고, 또, 가공 속도를 올릴 수 있다.

본 발명 (3)에 의하면, 숫돌 기둥 및 숫돌 매트릭스는 기공률 20∼60체적%의 다공체임으로써, 하기의 작용 효과를 나타낸다.

·숫돌을 다공체로 함으로써, 숫돌면을 진공화하여, 지립과 피연삭물의 거리를 가깝게 하는 것을 가능하게 한다.

·숫돌을 다공체로 함으로써, 물 등의 냉매를 직접 내보냄으로써 숫돌과 피연삭물의 연삭면의 거리의 컨트롤을 가능하게 한다.

·숫돌로부터 물 등의 냉매를 직접 내보냄으로써 숫돌 가공의 냉각 및 연마를 실시하는 것을 가능하게 한다.

본 발명 (4)에 의하면, 냉각액, 화학 연마제를 가지는 슬러리, 또는 이들의 혼합물을 상기 기공을 통하여 상기 피가공물과 상기 숫돌 기둥의 사이에 공급함으로써, 유체유로에 가압 유체를 공급하여, 숫돌이 피연삭물로부터 떠오르고, 가공 속도를 떨어뜨려 고정밀도의 연마 가공을 행할 수 있다.

본 발명 (5)에 의하면, 진공 펌프 등의 진공 장치를 이용하여 상기 기공을 통하여 상기 피가공물과 상기 숫돌의 사이를 감압함으로써, 지립을 효율 좋게 피연삭물로 파고들게 하는 것을 가능하게 하여 가공 속도를 올릴 수 있다.

숫돌 속의 실제로 피연삭물에 접촉하고 있는 지립의 수를 극단으로 줄이는 것이 가능하게 되고 각 지립이 큰 압력으로 피연삭물에 작용할 수 있으며, 그 소수의 지립이 크게 연삭에 기여하고, 연삭을 행하는 동시에 지립의 마모가 일어나 지립의 눈이 무뎌진다. 여기서 통상은 날을 세우는 작업이나 숫돌의 형상을 다듬기 위한 드레싱 작업이 필요하게 된다. 본 발명의 숫돌은 실효 지립의 수가 적고 연삭으로 깎이지 않게 되면 큰 힘이 들며, 큰 힘에 의해 닳아서 작아진 지립이 탈락한다. 탈락 후에는 본 발명의 숫돌은 다공체이고 공공(空孔)부가 남아 가로로 개재되는 다음의 지립이 노출되게 된다. 통상의 숫돌은 많은 숫돌이 숫돌면에 잔류하여 날이 잘 들지않음에도 불구하고 탈락이 일어나지 않아, 날을 세우거나 드레싱이 필요하게 된다.

본 발명 (6)에 의하면, 상기 숫돌이 피가공물의 양면에 장착되어 있음으로써, 양면 가공이 가능하다.

본 발명 (7)에 의하면, 상기 숫돌의 연삭·연마면의 뒷부분으로부터 직접, 액체나 기체를 연속적 내지는 펄스 형상으로 내보냄으로써, 숫돌의 눈막힘을 방지하고 연속 가공이 가능하다.

본 발명 (8)에 의하면, 상기 숫돌의 연삭·연마면의 뒷부분으로부터 직접, 액체나 기체를 내보냄으로써, 연삭·연마면에 피가공물이 접착하는 것을 방지하고 가공 후에 피가공물을 취출하기 쉽게 할 수 있다.

본 발명 (9)에 의하면, 상기 (1) ∼ (8) 중 어느 한 항에 기재된 숫돌을 이용함으로써, 하기의 작용 효과를 나타내는 연삭·연마 장치를 제공할 수 있다.

·숫돌면으로부터 진공화를 가능하게 한다.

·물 등의 냉매를 숫돌로부터 내보내는 기구를 가능하게 한다.

·연삭 숫돌의 드레싱을 생략 가능하게 한다.

·조연삭, 래핑 연삭, 마무리 연마를 동시에 실시 가능하게 한다.

·양면 가공을 가능하게 한다.

·숫돌의 눈막힘을 방지하고 연속 가공이 가능하게 한다.

·연삭·연마면에 피가공물이 접착하는 것을 방지하고 가공 후에 피가공물을 취출하기 쉽게 한다.

본 발명에 의하면, 거친 가공, 랩 가공, 연마 가공의 3공정을 동일한 장치로 행할 수 있는데다가, 양면 가공도 가능하게 하여, 계속적으로 사용하더라도 가공 속도가 저하되지 않으며, 드레싱을 생략할 수 있는 숫돌 및 그것을 이용한 연삭·연마 장치를 제공할 수 있는 등, 산업상 유용한, 현저한 효과를 나타낸다.

도 1은, 본 발명의 숫돌의 실시형태를 예시하는 평면도 및 단면도이다.
도 2는, 본 발명에 이용하는 숫돌 기둥의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 숫돌의 실시형태를 예시하는 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 연삭·연마 장치의 실시형태를 예시하는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 효과를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 발명의 숫돌의 실시형태를 예시하는 평면도 및 단면도이며, 도 1(a)는 평면도, 도 1(b)는 도 1(a)의 A-A 단면도이다. 또, 도 2는, 본 발명에 이용하는 숫돌 기둥의 구조를 나타낸 모식도다. (a)는 소성 전, (b)는 소성 후를 나타내고 있고, 소성 후에는 결합재가 녹아 지립을 감싸서 지립끼리를 결합시키고 있다. 도 1 및 도 2에 있어서, 1은 숫돌 기둥, 2는 숫돌 매트릭스, 3은 지립, 4는 결합재, 5는 기공, L은 숫돌 기둥의 축, D는 숫돌 기둥의 직경, S는 숫돌 기둥의 간격을 나타낸다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 숫돌은, 피가공물을 연삭·연마하는 숫돌로서, 상기 피가공물을 연삭·연마하는 지립(3) 및 결합재(4)로 이루어지고, 연삭·연마하는 면의 깊이 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥(1)과, 당해 숫돌 기둥(1)과 일체로 형성되는 숫돌 매트릭스(2)를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명이 대상으로 하는 피가공물은, 세라믹, 실리콘 웨이퍼, SiC, 알루미나, 사파이어, 금속이나 합금 등을 말한다. 또, 이 명세서에서는 연삭·연마란, 연삭 가공 및 연마 가공의 양자를 말한다.

본 발명의 숫돌은, 피가공물을 연삭·연마하는 지립(3) 및 결합재(4)로 이루어지고, 연삭·연마하는 면의 깊이 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥(1)을 가지기 때문에, 연삭·연마면에 노출된 지립(3)이 탈락하더라도, 그 하층에 묻혀 있던 지립(3)이 노출됨으로써, 가공 속도를 유지하면서, 계속하여, 연삭·연마를 행할 수 있다. 결합재(4)는 이 도 2에 나타낸 바와 같이 혼합되지만, 소성 후에는 결합재(4)가 녹아 지립(3)을 감싸듯이 지립(3)을 연결하는 기둥이 형성된다. 또한, 숫돌 기둥(1)의 단면 형상은, 도 2에 나타낸 바와 같은 원기둥에 한하지 않으며, 각진 기둥이어도 된다.

숫돌 기둥(1)의 배치는, 도 1에 나타낸 바와 같은 삼각형이나, 사각형, 다각형으로 이루어지는 기하학 모양으로 형성하여 배치해도 되고, 랜덤으로 배치해도 된다.

또한, 지립(3)은 다이아몬드가 사용되어 있고, 그 평균 입경은 0.1∼300㎛로 되어 있다. 다만, 다이아몬드 대신, 입방정 질화 붕소(CBN) 지립 즉 CBN을 사용하도록 해도 되고, 다이아몬드와 CBN의 혼합물을 사용하도록 해도 되며, 나아가서는, 탄화 규소 SiC 즉 GC, 멀라이트(3Al₂O₃-2SiO₂), 또는 용융 알루미나 Al₂O₃ 즉 WA의 단체(單體) 또는 이들의 혼합체를 사용하도록 해도 된다. 숫돌(10)을 구성하는 결합재(4)로서는, 비트리파이드 본드가 사용되고 있지만, 각각의 결합재(4)로서는 비트리파이드 본드 이외에, 레지노이드 본드, 메탈 본드, 전착(電着) 본드 등 다양한 본드재를 사용할 수 있다. 또한, 지립(3)의 평균 입경은, 지립(3)의 단면이 원형이 아닌 경우에는, 동일한 단면적의 원 상당 직경의 평균값으로 한다.

또, 본 발명의 숫돌(3)은, 피가공물이 평판 형상인 경우에는, 도 1에 나타낸 바와 같은 평면으로 이루어지는 두께 5∼10mm의 디스크 형상이어도 되지만, 피가공물을 연삭·연마하는 면이 곡면임으로써, 예를 들면, 디스크 형상의 숫돌의 외주에, 디스크 형상의 반경 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥(1)을 배치함으로써, 복잡 형상의 피가공물의 연삭·연마를 행할 수 있다.

또, 상기 숫돌 기둥(1)과 숫돌 매트릭스(2)는 모두 지립(3)과 결합재(4)로 이루어지며 숫돌 기둥(1) 속의 지립(3)은 숫돌 매트릭스의 지립(3)보다 경도가 높은 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 숫돌 기둥(1)과 숫돌 매트릭스(2)는 모두 지립(3)과 결합재(4)로 이루어지며 숫돌 기둥(1) 속의 지립(3)은 숫돌 매트릭스(2)의 지립(3)보다 경도가 높은 것으로 이루어짐으로써, 숫돌 매트릭스(2)가 숫돌 기둥(1)보다 마모가 크고, 영률의 차이에 의해 숫돌 매트릭스(2)가 숫돌 기둥(1)보다 내려가기 때문에, 항상 지립 기둥의 지립을 노출시켜 둘 수 있으며, 전자 재료 등의 단단하면서 깨지기 쉬운 피가공물을 연삭·연마할 수 있다.

또, 상기 숫돌 기둥(1) 및 숫돌 매트릭스(2)는 기공률 20∼60체적%의 다공체인 것이 바람직하다. 기공률의 하한(20%)의 한정 이유는, 이것 이하의 다공체에서는 기공(5)이 주로 폐쇄 기공이 되어 개방 기공이 아닌, 진공을 위한 공기나 냉각제가 출입을 할 수 없게 되기 때문이며, 기공률의 상한(60%)의 한정 이유는, 지립(3)과 결합재(4)의 혼합 분체는 많게는 60% 정도이고, 그것으로부터 소성하고 있기 때문에 반드시 60% 이하가 되므로 이것이 상한이다. 숫돌 기둥(1) 및 숫돌 매트릭스(2)는 기공률 20∼60체적%의 다공체임으로써, 하기의 작용 효과를 나타낸다.

·숫돌 기둥을 다공체로 함으로써, 숫돌면을 진공화하여, 지립과 피연삭물의 거리를 가깝게 하는 것을 가능하게 한다.

·숫돌을 다공체로 함으로써, 물 등의 냉매를 직접 내보냄으로써 숫돌과 피연삭물의 연삭면의 거리의 컨트롤이나, 피가공재의 숫돌로의 불필요한 접착을 없게 하는 것을 가능하게 한다.

·숫돌로부터 물 등의 냉매를 직접 내보냄으로써 숫돌 가공의 냉각 및 연마를 실시하는 것을 가능하게 한다.

또, 냉각액, 화학 연마제를 가지는 슬러리, 또는 이들의 혼합물을 상기 기공(5)을 통하여 상기 피가공물과 상기 숫돌의 사이에 공급할 수 있다.

또한, 진공 펌프 등의 진공 장치를 이용하여 상기 기공(5) 및 숫돌 매트릭스 중의 기공을 통하여 상기 피가공물과 상기 숫돌의 사이를 감압할 수 있다.

또, 상기 기재의 숫돌을 이용함으로써, 하기의 작용 효과를 나타내는 연삭·연마 장치를 제공할 수 있다.

·숫돌면으로부터 진공화를 가능하게 한다.

·물 등의 냉매를 숫돌로부터 내보내는 기구를 가능하게 한다.

·연삭 숫돌의 드레싱을 생략 가능하게 한다.

·조연삭, 래핑 연삭, 마무리 연마를 동시에 실시 가능하게 한다.

도 3은 본 발명의 일실시형태인 숫돌을 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3에 나타낸 숫돌이 숫돌 홀더에 장착된 상태를 나타낸 단면도이다. 하기의 실시형태에서는, 피가공물을 실리콘 웨이퍼의 예로서 설명한다.

도 3에 나타낸 숫돌(10)은, 전체적으로 원판 형상 즉 디스크 형상으로 되어 있고, 일방의 단면이 가공면(11)이 되고, 타방의 단면이 기단면(12)으로 되어 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 숫돌(10)은 숫돌 홀더(20)에 기단면(12)이 부딪히게 되어 장착되며 숫돌 홀더(20)에 의해 회전 구동된다. 숫돌(10)은 이것의 외주부에 형성된 장착 구멍(13)을 관통하여 숫돌 홀더(20)에 나사 결합되는 볼트(14)에 의해 숫돌 홀더(20)에 장착되게 되어 있다.

숫돌(10)은 지립과 지립 상호를 연결하는 결합재에 의해 형성되고, 내부에는 미세한 기공(5)이 형성된 다공체로 되어 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 숫돌(10)은 숫돌 홀더(20)를 통하여 연마 장치의 숫돌 회전 샤프트(22)에 장착되게 되어 있고, 숫돌 회전 샤프트(22)를 구동하는 도시하지 않은 모터에 의해 숫돌(10)은 숫돌 홀더(20)를 통하여 회전 구동된다. 숫돌 회전 샤프트(22)에 형성된 유체 안내 유로(23)는, 로터리 조인트(24)를 통하여 진공 펌프(25)에 접속되고, 진공 펌프(25)와 로터리 조인트(24)를 접속하는 유체 안내 유로(26a)에는 유로 개폐 밸브(27a)와 압력 조정 밸브(28a)가 장착되어 있다. 따라서, 유로 개폐 밸브(27a)를 개방한 상태 하에서 진공 펌프(25)를 작동시키면, 연마층(15)의 기공(5)은, 유체 안내 유로(23)를 통하여 진공 펌프(25)에 연통하여 대기압보다 낮은 진공 상태 즉 부압(負壓) 상태가 되고, 숫돌(10)의 지립이 효율 좋게 피가공물로 파고드는 것을 가능하게 한다.

로터리 조인트(24)에는 가압 펌프(29)가 접속되고, 가압 펌프(29)와 로터리 조인트(24)를 접속하는 유체 안내 유로(26b)에는 유로 개폐 밸브(27b)와 압력 조정밸브(28b)가 장착되어 있다. 가압 펌프(29)는 용기(30) 내에 수용된 연마액 등의 액체를 가압하여 토출하고, 유로 개폐 밸브(27b)를 개방한 상태 하에서 가압 펌프(29)를 작동시키면, 액체가 유체 안내 유로(23)를 통하여 연마층(15)의 기공(5) 내로 들어가 가공면(11)으로부터 유출되게 된다.

숫돌 회전 샤프트(22)의 상방에는, 실리콘 웨이퍼 등의 피가공물(W)을 지지하여 이것을 회전시키는 진공 척(31)이 장착된 워크 회전 샤프트(32)가 설치되어 있다. 이 워크 회전 샤프트(32)는 숫돌(10)의 가공면(11)에 따른 방향으로 수평 방향으로 자유롭게 이동할 수 있음과 함께 상하 방향으로 자유롭게 이동할 수 있게 되어 있고, 진공 척(31)에 지지된 피가공물(W)을 숫돌(10)을 향하여 접근 이반 이동시킬 수 있다. 또한, 피가공물(W)을 숫돌(10)에 접촉시킨 상태에서 워크 회전 샤프트(32) 및 진공 척(31)의 자중(自重)에 의해 피가공물(W)에 대하여 가압력을 부가할 수 있다. 이 자중에 의한 가압력에 부가하여, 공기압 실린더 등에 의해 워크 회전 샤프트(32)에 추력을 부가해 피가공물(W)에 대하여 가압력을 부가하도록 해도 된다.

진공 척(31)은 복수의 흡기 구멍(33)이 형성된 척판(34)을 가지고, 각각의 흡기 구멍(33)에 연통하는 진공 유로(35)가 워크 회전 샤프트(32)에 형성되어 있다. 진공 유로(35)는 로터리 조인트(36)를 통하여 진공 펌프(37)에 접속되고, 진공 펌프(37)와 로터리 조인트(36)를 접속하는 진공 공급로(38)에는 유로 개폐 밸브(39)가 장착되어 있다. 따라서, 진공 펌프(37)를 작동시켜 진공 유로(35)를 대기압보다 낮은 압력으로 하면, 흡기 구멍(33) 내에 외부 공기가 유입되어 피가공물(W)은 진공 척(31)에 진공 흡착되어 유지된다. 또, 상부의 구조물을 전술의 숫돌과 동일한 구조물의 상사형(相似形)의 것을 장착함으로써 피가공물(W)의 양면 가공을 가능하게 한다. 이 경우 피가공물(W)은 W의 형상으로 구멍을 뚫은 시트 형상의 것으로 유지시킨다.

숫돌(10)을 이용한 연마 가공으로서는, 냉매를 가압 펌프(29)에 의해 가압하여 유체유로(17)를 통하여 가공면(11)으로부터 유출시키도록 한 피가공물(W)의 연마 가공 및 회로 패턴 형성 전의 웨이퍼 또는 회로 패턴이 형성된 웨이퍼의 표면을 가공면(11)으로부터 가공면(11)과 피가공물(W)의 사이의 압력, 즉 지립과 피가공면의 거리를 조정함으로써, 연마 가공을 행한다. 또, 유리(遊離) 지립을 가지는 연마액을 가압 펌프(29)에 의해 가압하여 유체유로(17)를 통하여 가공면(11)으로부터 유출시키도록 한 피가공물(W)의 연마 가공 및 회로 패턴 형성 전의 웨이퍼 또는 회로 패턴이 형성된 웨이퍼의 표면을 가공면(11)으로부터 화학 연마제를 가지는 슬러리를 유출시키도록 한 연마 가공 즉 CMP 가공에 적용할 수 있다. 이와 같은 연마 가공에 있어서는, 가공면(11)으로부터 숫돌(10)과 피가공물(W)의 사이에 연마액 등을 공급하게 되므로, 피가공물(W)의 피가공면 전체에 확실하게 연마액을 공급할 수 있다. 게다가, 숫돌(10)은, 통상의 CMP 가공과 같은 우레탄 등으로 이루어지는 연마 패드에 비해, 가공면(11)의 경도가 높기 때문에, 웨이퍼의 표면에 주름 등을 발생시키지 않고, 높은 평탄도로 연마 가공을 행할 수 있으며, 또한, 가공면(11)과 피가공물(W)의 사이의 압력을 조정함으로써, 연마 가공 시간이나 연마량을 용이하게 설정할 수 있다.

내부에 유체유로(17, 18)가 형성된 숫돌(10)을 제조하려면, 지립과 결합재와 조제(助劑)의 혼합물을 성형형(成形型) 내에 주입한다. 한편, 소실 수지 등과 같이 열을 가하면 소실되는 소실 재료로 이루어지는 중자(中子)를 유체유로(17, 18)의 형상으로 미리 제조해 두고, 혼합물을 성형형 내에 주입할 때에 혼합물의 내부에 중자를 투입한다. 이와 같이 하여 숫돌(10)에 대응된 형상으로 성형된 숫돌 소재를 소성로에서 가열함으로써, 중자가 소실됨과 함께 지립이 결합재에 의해 연결되며, 내부에 기공(5)을 가지고 유체유로(17, 18)가 형성된 다공체로 이루어지는 숫돌(10)이 일체로 제조된다. 숫돌(10)의 기공률은, 조제의 양을 늘리면 작아지지만, 조제의 양 이외에 소성 온도 등에 의해서도 기공률을 조정할 수 있다.

따라서, 상술한 바와 같이 숫돌(10)을 연마층(15)의 부분과 숫돌기부(16)에 의해 형성하는 경우에는, 예를 들면 조제의 양을 연마층(15)과 숫돌기부(16)에서 다르게 함으로써, 연마층(15)과 숫돌기부(16) 중 유체유로(17)가 형성된 부분(두께 t＋t1의 부분)을 개방 기공 구조의 다공체로 하고, 이 부분보다 기단면(12) 측의 부분을 폐쇄 기공 구조의 다공체로 할 수 있다.

숫돌 기둥(1)을 구성하는 지립(3)으로서는, 다이아몬드 즉 다이아몬드 지립이 사용되고 있고, 그 평균 입경은 0.1∼300㎛로 되어 있다. 다만, 다이아몬드 대신, 입방정 질화 붕소(CBN) 지립 즉 CBN을 사용하도록 해도 되고, 다이아몬드와 CBN의 혼합물을 사용하도록 해도 되며, 나아가서는, 탄화 규소 SiC 즉 GC, 멀라이트(3Al₂O₃-2SiO₂), 또는 용융 알루미나 Al₂O₃ 즉 WA의 단체 또는 이들의 혼합체를 사용하도록 해도 된다. 숫돌(10)을 구성하는 결합재로서는, 비트리파이드 본드가 사용되고 있지만, 각각의 결합재로서는 비트리파이드 본드 이외에, 레지노이드 본드, 메탈 본드, 전착 본드 등 다양한 본드재를 사용할 수 있다.

본 발명의 특징인, 눈막힘 방지 및 양면 가공에 대하여 설명한다. 숫돌이 가공할 수 없게 되는 이유는 날을 세울 필요성이 생긴 경우뿐만 아니라, 눈막힘이 일어난 경우가 있다. 사파이어와 같이 단단한 것을 연삭·연마하는 경우에는, 눈막힘의 문제는 많은 경우 생기지 않지만, 세라믹이어도 사파이어보다 연한 것이나, 금속이나 합금과 같은 것을 가공했을 때에 눈막힘이 일어난다. 이것은, 깎인 미분이 숫돌의 지립과 지립의 사이에 막힘 숫돌면이 평평해져 지립의 돌출이 없어져 깎이지 않게 되는 현상이다. 이것에 관하여 본 숫돌은 유체(물과 같은 냉매나 공기)를 기공으로부터 출납함으로써 막힌 찌꺼기를 제거할 수 있다.

또, 양면 가공에 의해, 가공 속도를 올릴 수 있다. 그러나, 양면 가공하면, 특히 얇은 것이 가공이 되면 물과 같은 냉매의 표면 장력으로 숫돌면에 접착하여 떼어낼 수 없게 되거나, 다수의 피가공물을 가공하는 경우, 몇 개의 피가공물이 편면의 숫돌에 붙고, 남은 몇 개의 피가공물이 또 한편의 숫돌에 붙어 자동화나, 양산화를 할 수 없게 된다.

또, 실리콘 기판 등의 피가공물은, 점점 얇아지고 있지만 그 한계는 편면 가공을 하고 있기 때문에 가공면과 가공되어 있지 않은 면의 차이가 생겨 얇은 것은 오히려 사용할 수 없게 되기 때문이다. 그것을 양면 가공함으로써, 양면이 동일하게 변화되므로 휨을 없게 할 수 있다.

그러나, 종래의 연삭·연마 장치에서 양면 가공하면 물과 같은 냉매를 넣고 있기 때문에 그 표면 장력으로 가공 후에 숫돌을 올려 피가공물을 취출하려고 했을 때에 위의 숫돌에 붙은 채로 올라가거나, 아래의 숫돌에 붙은 채로 올라가거나 한다. 그것을 떼어내는데에 1공정 증가하고, 그리고 떼어내는 것을 실패하면 모처럼 얇게 한 것이 찢어지거나 한다. 그래서 세상에는 양면 가공기는 조가공하는 것으로 비교적 두꺼운 피가공물의 경우에 한정되어 있다.

그래서, 본 발명의 바람직한 실시형태인 숫돌은, 상하에 숫돌을 놓고 그사이에 피가공물을 둔 경우, 유체(물 등의 액체여도 되고 공기 등의 기체여도 된다)를 숫돌로부터 내보내어 피가공물이 숫돌에 접착하는 것을 방지하고, 피가공물을 취출하기 쉽게 하며, 또, 취출하기 쉽게 함으로써, 양면 가공을 가능하게 할 수 있다.

실시예

도 1∼도 4에 나타낸 본 발명의 실시형태를 이용하여, 본 발명의 범위인 숫돌 기둥의 직경(D)을 지립(3)의 평균 입경의 1∼100배의 범위 내인 1∼2mm, 이웃하는 숫돌 기둥의 간격(S)을 숫돌 기둥의 직경(D)의 10∼1000배의 범위 내인 10∼20mm, 숫돌 기둥 및 숫돌 매트릭스의 기공률을 30∼60%로 하여 실시하였다. 숫돌의 연삭·연마면의 면적에 대한 숫돌 기둥의 단면적의 합계 비율은 0.4∼7.0%이고, 종래보다 낮은 값이었다. 또한, 지립은 평균 입경이 20㎛의 다이아몬드를 사용하였다.

도 5는, 본 발명의 지립을 다이아몬드로 하고 피가공물을 사파이어로 했을 때의 실시예의 효과를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 숫돌을 이용하면, 피가공물의 가압력을 30kPa로부터 20kPa까지 저하시킨 후에, 다시 30kPa까지 부활시켜도 연삭·연마의 가공 속도가 유지되고 있어, 본 발명의 효과가 확인되었다. 한편 종래 숫돌은 최초의 20분에서 가공 속도가 떨어져 드레싱이 필요하게 되고, 드레싱 없이는 가공 계속이 곤란하게 되어 있다. 본 발명의 숫돌은 드레싱 없이 인가압을 되돌리면 가공 속도가 되돌아가고 있는 것을 나타내고, 드레싱 없이의 가공이 실현된 것을 나타내고 있다.

본 발명에 의하면, 조가공에 사용되는 지립을 사용하여 다이아몬드 등의 지립의 예리함을 향상시킴으로써, 하기의 효과를 나타낼 수 있다.

·통상의 조가공보다 한층 더 고속 가공을 가능하게 한다.

·조가공 중의 결함의 발생을 억제한다.

·조가공의 마무리면을 매끄럽게 하고, 조가공 후의 랩 가공, 연마 가공을 생략할 수 있다.

·치수 정밀도를 내는 연삭 속도의 제어를 조가공 중에 행할 수 있다.

·조가공부터 정밀 가공까지를 동일한 가공기의 셋업으로 행함으로써, 가공의 고효율화를 가능하게 한다.

·조가공부터 정밀 가공까지를 동일한 가공기로 양면 가공하고, 가공의 고효율화를 가능하게 한다.

1: 숫돌 기둥 2: 숫돌 매트릭스
3: 지립 4: 결합재
5: 기공 10: 숫돌
11: 가공면 12: 기단면
15: 연삭·연마층 16: 숫돌기부
17, 18: 유체유로 19: 급배구
20: 숫돌 홀더 22: 숫돌 회전 샤프트
25: 진공 펌프 29: 가압 펌프
31: 진공척 L: 숫돌 기둥의 축
D: 숫돌 기둥의 직경 S: 숫돌 기둥의 간격
W: 피가공물

Claims (1)

1. 피가공물을 연삭·연마하는 숫돌로서,
   상기 피가공물을 연삭·연마하는 지립 및 결합재로 이루어지고, 연삭·연마하는 면의 깊이 방향으로 축(L)을 가지고 평행하게 배치된 다수의 기둥으로 이루어지는 숫돌 기둥과, 당해 숫돌 기둥과 일체로 형성되는 숫돌 매트릭스를 가지고, 상기 숫돌 기둥과 숫돌 매트릭스는 모두 지립과 결합재로 이루어지며,
   상기 숫돌 기둥 및 숫돌 매트릭스는 기공률 20∼60체적%의 다공체이고, 당해 기공을 통해 진공 펌프 등의 진공 장치를 이용하여 상기 기공을 통해 피가공물을 흡인하여, 숫돌 기둥과의 거리를 가깝게 하여 접촉시킴으로써 연삭 효율을 향상 시키고, 또한, 피가공물과 숫돌의 사이에 냉각액, 기체, 화학 연마제를 가지는 슬러리 또는 이들의 혼합물을 주입하여 숫돌과 피연삭물의 거리를 제어하여, 적절한 래핑 및 연마를 가능하게 하여, 연삭 공정, 래핑 공정, 연마 공정을 동일한 숫돌로 행하는 것을 특징으로 하는 숫돌.

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