KR20180134025A - 비트리파이드 초지립 휠 - Google Patents

비트리파이드 초지립 휠 Download PDF

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KR20180134025A
KR20180134025A KR1020170071356A KR20170071356A KR20180134025A KR 20180134025 A KR20180134025 A KR 20180134025A KR 1020170071356 A KR1020170071356 A KR 1020170071356A KR 20170071356 A KR20170071356 A KR 20170071356A KR 20180134025 A KR20180134025 A KR 20180134025A
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요이치 아오키
스스무 마츠모토
에리코 요시오카
가즈시 나카시오
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구레토이시 가부시기가이샤
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Abstract

내구성이 있고, 또한 가공 후의 웨이퍼 등의 품질을 향상시킬 수 있으며, 연삭 성능이 우수한 비트리파이드 본드 초지립 휠을 제공하는 것.
초지립을 비트리파이드 본드에 의해 결합한 초지립층을 가지는 비트리파이드 본드 초지립 휠로서, 상기 초지립층에 분산되어 배치된 평균 기공 직경이 250~600㎛의 구 형상의 기공을 포함하고, 상기 구 형상의 기공의 단경(a)과 장경(b)의 비(a/b)의 평균값이 0.5 이상 1.0 이하이며, 실리콘, 사파이어 및 화합물 반도체 등의 각종 웨이퍼의 연삭 가공에 이용되는 것을 특징으로 하는 유기공의 비트리파이드 본드 초지립 휠.

Description

비트리파이드 초지립 휠{VITRIFIED SUPER ABRASIVE GRAIN WHEEL}
본 발명은, 실리콘, 사파이어 및 화합물 반도체 등의 각종 웨이퍼의 연삭 가공에 이용되는 초지립(超砥粒)을 비트리파이드 본드에 의해 결합한, 유기공(有氣孔)의 비트리파이드 본드 초지립 휠에 관한 것이다.
연삭 및 연마용 숫돌의 주된 종류로서 본드별로 분류하면 비트리파이드 숫돌, 레지노이드 숫돌, 메탈 숫돌 및 전착(電着) 숫돌로 구분된다. 그 중에서도, 비트리파이드 숫돌은, 커팅감이 좋고, 내구성이 높으며 또한 드레스성이 좋기 때문에 널리 이용되고 있다.
더 양호한 커팅감을 지속하기 위해, 비트리파이드 본드 휠 내에 기공 형성재를 넣는 기술이 공개되어 있다. 구체적으로는 초지립 비트리파이드 휠로서, 평균 기공 직경이 0.1~15㎛의 소경(小經) 기공과, 평균 기공 직경이 20~200㎛의 구 형상의 대경(大徑) 기공을 포함하는 취지가 기재되어 있다(특허 문헌 1).
마찬가지로 비트리파이드 본드 숫돌로 지립 평균 입경 40~160㎛를 사용하고, 130 초과~1300㎛의 기공 형성재를 사용한 비트리파이드 본드 숫돌이 개시되어 있다(특허 문헌 2).
일본 공개특허 특개2012-152881호 공보 일본 공개특허 특개평8-57768호 공보
그러나, 근래의 기술의 발달에 따라, 각종 웨이퍼의 품질 요구가 상승된 것에 더하여, 가공 비용의 저감이 요구되고 있으며, 종래의 기술로는 대응할 수 없어, 보다 연삭 성능이 우수한 비트리파이드 본드 초지립 휠이 요구되고 있다. 따라서, 본 발명은, 내구성이 있고, 또한 가공 후의 웨이퍼의 품질을 향상시킬 수 있어, 연삭 성능이 우수한 비트리파이드 본드 초지립 휠을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자 등은 상기 과제를 감안하여, 비트리파이드 본드 초지립 휠에 있어서, 종래의 기술에 얽매이지 않고 구 형상의 대경 기공을 종래의 상한 평균 기공 직경 200㎛를 초과한 보다 대경의 평균 기공 직경이 250~600㎛의 범위인 구 형상의 기공을 분산시킴으로써, 의외로 종래의 비트리파이드 본드 초지립 휠의 연삭 성능을 상회하는 것을 발견했다. 또한, 당해 초지립 휠에 적합한 비트리파이드 본드의 개발을 행하여, 구 형상의 소정 치수 직경의 기공 형성재와 당해 비트리파이드 본드를 조합함으로써, 예상을 상회하는 연삭 성능을 발휘하는 비트리파이드 본드 초지립 휠을 발견함으로써 본 발명을 완성했다.
즉, 본 발명은, 초지립을 비트리파이드 본드에 의해 결합한 초지립층을 가지는 비트리파이드 본드 초지립 휠로서, 상기 초지립층에 분산되어 배치된 평균 기공 직경이 250~600㎛의 구 형상의 기공을 포함하고, 상기 구 형상의 기공의 단경(短徑)(a)과 장경(長徑)(b)의 비(a/b)의 평균값이 0.5 이상 1.0 이하이며, 실리콘, 사파이어 및 화합물 반도체 등의 각종 웨이퍼의 연삭 가공에 이용되는 것을 특징으로 하는 유기공의 비트리파이드 본드 초지립 휠에 있다.
또한, 본 발명에서 사용하는 비트리파이드 본드는, 55~70wt%의 SiO2, 5~15wt%의 Al2O3, 15~25wt%의 B2O3, 1~6wt%의 RO(RO는 CaO, MgO 및 BaO 중 적어도 일종으로부터 선택됨), 및 4~10wt%의 R2O(R2O는 K2O, Na2O 및 Li2O 중 적어도 일종으로부터 선택됨)로 이루어지는 조성을 가진다.
또한, 상기 R2O는 K2O, Na2O 및 Li2O를 포함하고, 당해 Na2O가 R2O 전량에 대하여 5~30wt%, Li2O가 R2O 전량에 대하여 20~45wt%, K2O가 R2O 전량에 대하여 20~45wt%이며, 또한 K2O 및 Li2O의 각각은 Na2O 보다 많이 함유되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 비트리파이드 본드 초지립 휠은 대폭적인 내구성 향상을 초래하고, 또한 각종 웨이퍼의 가공에 있어서 대폭적인 작업 효율의 향상 및 품질 향상을 초래할 수 있다. 이하, 이들 효과를 「본 발명의 효과」라고 칭하는 경우가 있다.
도 1은, 실시예 1에서 얻어진 휠의 단면 확대 사진이다(SEM 사진×50배).
도 2는, 비교예 1에서 얻어진 휠의 단면 확대 사진이다(SEM 사진×50배).
도 3은, 실시예 1에서 얻어진 휠의 지립과 결합제의 단면 확대 사진이다(SEM 사진×2000배).
도 4는, 비교예 1에서 얻어진 휠의 지립과 결합제의 단면 확대 사진이다(SEM 사진×2000배).
상기 서술한 바와 같이, 본 발명은 초지립을 비트리파이드 본드에 의해 결합한 초지립층을 가지는 비트리파이드 본드 초지립 휠로서, 상기 초지립층에 분산되어 배치된 평균 기공 직경이 250~600㎛의 구 형상의 기공을 포함하고, 상기 구 형상의 기공의 단경(a)과 장경(b)의 비(a/b)의 평균값이 0.5 이상 1.0 이하이며, 실리콘, 사파이어 및 화합물 반도체 등의 각종 웨이퍼의 연삭 가공에 이용되는 것을 특징으로 하는 유기공의 비트리파이드 본드 초지립 휠에 있다.
구 형상의 기공 직경이 평균 기공 직경 250㎛를 하회하면 내구성이 저하되고, 또한 면 조도가 거칠어진다. 또한, 구 형상의 기공 직경이 평균 기공 직경 600㎛를 상회하면 휠에 크랙이 발생하여 정상적인 휠의 제조가 불가능해진다. 구 형상의 기공 직경의 평균 기공 직경은 250~600㎛가 바람직하지만, 250~500㎛가 보다 바람직하고, 300㎛~400㎛가 가장 바람직하다. 기공을 형성하는데 사용되는 기공 형성재는 소정의 치수로 기공을 형성할 수 있으면 어떤 물질이라도 사용할 수 있지만, 유기질의 물질로 수지 재료 등이 적합하게 사용된다.
기공을 형성하는데 사용되는 기공 형성재는 유기질의 물질이 바람직하지만 무기질의 중공체(中空體)도 사용할 수 있고, 구 형상의 기공 형성재가 바람직하다. 그 경우, 기공 형성재의 직경은, 평균 기공 직경 250~600㎛가 바람직하고, 250~500㎛가 보다 바람직하며, 300㎛~400㎛가 가장 바람직하다. 기공 형성재의 구체예에는, 예를 들면, 알루미나 벌룬, 멀라이트 벌룬, 카본 등이 있다. 본 발명에 있어서, 구 형상이란, 단면이 대략 원형 또는 대략 타원형이며, 그 단경(a)과 장경(b)의 비(a/b)의 평균값(이하, 「진구도」라고 함.)이 0.5 이상 1 이하의 것을 가리킨다. 따라서, 엄밀한 진구 형상, 타원구 형상 등의, 단면이 수학적으로 엄밀한 원 또는 타원이 되는 입체 형상을, 요구하는 것은 아니다. 본 발명에 있어서 이용되는 기공 형성재의 진구도는, 0.5~1.0이며, 0.8~1.0인 것이 바람직하고, 0.9~1.0인 것이 보다 바람직하다.
또한, 비트리파이드 본드 초지립 휠은, 상기 서술한 기공 형성재에 의해 형성된 상대적으로 대경의 기공 외에 자연스럽게 발생하는 상대적으로 소경의 이른바 자연 기공이 발생한다. 이것은 사용하는 지립의 입경과 상관 관계가 있으며, 사용하는 지립의 입경이 크면 큰 자연 기공이 발생하고, 사용하는 지립의 입경이 작으면 작은 자연 기공이 발생하는 경향이 있다. 통상, 자연 기공의 평균 기공은, 사용하는 지립의 평균 입경과 대략 동일한 직경이 되는 경향이 있다. 본 명세서 중에는, 본 발명의 기공 형성재에 의해 형성된 상대적으로 대경의 기공을 대경 기공이라고 칭하는 경우가 있다.
이하, 본 발명에 적합하게 사용되는 비트리파이드 본드의 상세를 설명한다.
본 발명에서 사용되는 비트리파이드 본드는, 붕규산 유리계의 본드이며, 그 화학 조성은, 55~70wt%의 SiO2, 5~15wt%의 Al2O3, 15~25wt%의 B2O3, 1~6wt%의 RO(RO는 CaO, MgO 및 BaO 중 적어도 일종으로부터 선택됨), 및 4~10wt%의 R2O(R2O는 K2O, Na2O 및 Li2O 중 적어도 일종으로부터 선택됨)가 사용된다.
R2O 내의 각 성분의 비율에 대해서는, Na2O는 R2O 전량에 대하여 5~30wt%, Li2O는 R2O 전량에 대하여 20~45wt%, K2O는 R2O 전량에 대하여 20~45wt%이며, 또한 K2O 및 Li2O의 각각은 Na2O 보다 많이 함유된다.
SiO2가 55wt%보다 낮으면 열팽창 계수가 상승하고 또한 연화점이 지나치게 하강한다. 70wt%보다 높으면 연화점이 지나치게 상승하여 지립의 유지력이 부족하고, 또한 붕규산 유리질의 안정성이 사라져 분상(分相) 현상이 발생한다.
Al2O3이 5wt%보다 낮으면 연화점이 지나치게 하강하고 또한 붕규산 유리질의 안정성이 사라져 분상 현상이 발생하며, 15wt%보다 높으면 연화점이 지나치게 상승하여 지립의 유지력이 부족하다.
B2O3은 15wt%보다 낮으면 연화점이 상승하여 유동성이 부족해 지립의 유지력이 저하된다. 25wt%보다 높으면 연화점이 지나치게 하강하여, 휠의 내부에 가스 등이 발생해 정상적인 휠을 제조할 수 없게 되고, 또한 붕규산 유리질의 안정성이 사라져 분상 현상이 발생해 정상적인 휠을 제조할 수 없게 되며, 또한 연삭 성능이 저하된다.
RO(RO는 CaO, MgO 및 BaO 중 적어도 일종으로부터 선택됨)가 1wt%보다 낮으면 연화점이 지나치게 상승하여 본드의 유동성이 부족하고, 6wt%보다 높으면 연화점이 지나치게 하강한다.
R2O(R2O는 K2O, Na2O 및 Li2O 중 적어도 일종으로부터 선택됨)가 4%보다 낮으면 연화점이 지나치게 상승하여 본드의 유동성이 부족하고, 10wt%보다 높으면 열팽창 계수가 지나치게 상승한다.
또한 발명자 등은 R2O 성분 중의 K2O, Na2O 및 Li2O의 상대 비율에 주목했다. 일반적으로 R2O 중에는 Na2O의 사용 비율이 많다. 이것은 취급의 용이함이나 입수가 용이(비용도 관계함)한 것에 기인한다. 본 발명에서는, 바람직하게는, Na2O는 적고, 그 대신 Li2O와 K2O의 2물질이 Na2O보다 많아지는 것이다. 구체적으로는 Na2O가 R2O 전량에 대하여 5~30wt%, Li2O가 R2O 전량에 대하여 20~45wt%, K2O가 R2O 전량에 대하여 20~45wt%이며, 또한 K2O 및 Li2O의 각각은 Na2O 보다 많이 함유된다. 각 성분의 이러한 상대 비율을 채용함으로써, 지립 유지력이 더 증가하여 연삭 성능이 향상되는 등의 이점이 얻어진다.
종래부터 대경 기공으로서 알려져 있는 상한 평균 기공 직경 200㎛(예를 들면, 특허 문헌 1)를 초과하여 평균 기공 직경 250~600㎛의 범위의 구 형상의 기공을 가지는 비트리파이드 초지립 휠을 사용했더니, 의외로 종래의 비트리파이드 초지립 휠보다 연삭 성능이 상회했다. 또한 비트리파이드 초지립 휠에 적합한 비트리파이드 본드의 개발을 행하여, 본 발명에서 사용하는 구 형상의 대형 기공 형성재와 비트리파이드 본드를 합하면 발명자 등의 예상을 훨씬 상회하는 연삭 성능을 발휘하는 비트리파이드 초지립 휠을 얻을 수 있었다.
이론에 구속되는 것을 의도하지 않지만, 본 발명과 관련된 비트리파이드 초지립 휠이 이와 같이 우수한 연삭 성능을 나타낼 수 있는 것은 하기와 같은 것에 의한 것이 생각된다.
구 형상의 기공 형성재는 특히 유기질인 경우, 소성 중 온도가 상승함에 따라 유기질이므로 분해, 연소 또는 소실되어, 그 개소가 기공이 되지만, 이것은 고체로부터 기체로 변화되는 것이다. 이 연소는 200℃ 정도에서 시작하여 400~500℃에서 완료되는 것이 일반적이지만, 이것을 휠 중에 함유시킨 경우, 휠 중에서 그 연소, 분해 또는 소실 기체가 완전히 빠지는 것은 최고 보류 온도에 가까운 온도라고 생각된다. 즉 고체로부터 기체로 변화됨으로써 체적은 팽창하고, 이 압력으로 주변의 지립과 본드를 포함한 층에 누르는 힘이 작용한다고 생각된다. 이에 본드의 연화가 시작되면 지립과 본드의 층이 눌려 밀접하게 결합하는 것이 되고, 그 결과, 지립의 유지력이 향상되어 휠의 연삭 성능의 향상에 이르렀다고 생각된다. 또한 본드의 용융을 지배하는 R2O의 배합량이 최적인 것도 발견했다. 이로써 또한 한층 더 본 발명의 효과가 발휘된다고 생각된다.
구 형상의 대경 기공이 평균 기공 직경 250㎛보다 작아지면, 고체로부터 기체로 바뀌는 양이 적어지므로 상기의 지립과 본드를 포함한 층에 누르는 힘은 큰 구 형상의 대경 기공을 사용하는 것 보다 힘이 작아 상기와 같은 밀접한 결합이 얻어지지 않는다고 생각된다.
또한 특별히 대경 기공 형성재의 함유량을 적게 하지 않는 한 대경 기공 형성재의 입자간 거리가 적어진다. 그렇게 하면 고체로부터 기체가 될 때 이웃의 대경 기공과 연결되어 지립과 본드를 포함한 층을 누르는 힘이 더 약해진다고 생각된다.
대경 기공이 평균 기공 직경 600㎛보다 커지면, 지립과 본드를 포함한 층을 누르는 힘이 지나치게 강해, 이웃의 대경 기공, 그 거리는 작은 대경 기공으로 사용하는 것 보다 멀어짐에도 불구하고, 이웃의 기공과 연결되지만 그 힘이 지나치게 강하기 때문에, 휠의 크랙으로 발전한다고 생각된다.
본 발명에서 사용할 수 있는 지립에 관한 것으로서, 본 발명의 효과가 보다 효과적으로 발현되는 것은, 사용하는 지립의 평균 입경이 작을 때, 구체적으로는 평균 입경 45㎛ 이하일 때이다. 따라서, 본 발명에 사용되는 초지립(다이아몬드, CBN 등)의 입도(粒度) 범위는, 평균 입도 표시 600㎛의 굵은 입도~평균 직경 1㎛보다 작은 평균 입경을 가지는 미세한 지립(서브미크론 지립이라고도 함), 구체적으로는 80㎚의 범위에서 사용할 수 있지만, 바람직하게는 45㎛~80㎚, 보다 바람직하게는 40㎛~80㎚, 더 바람직하게는 35㎛~80㎚이다. 45㎛를 초과하면 바람직하지 않다. 왜냐하면, 전술한 바와 같이, 비트리파이드 본드는 기공 형성재로 강제적으로 발현시킨 기공과 함께 자연스럽게 발생하는 자연 기공도 존재한다. 이것은 사용하는 지립의 평균 입경과 동일한 레벨의 평균 기공 직경이 되는 것이 당업자에게는 알려져 있지만, 사용하는 지립의 입경이 크면 동일한 정도의 자연 기공이 발현되지만, 이 자연 기공의 직경이 크면 강제적으로 기공 형성한 구 형상의 대경 기공이 소성 중에 고체로부터 기체로 변화되고, 이것이 휠 내로부터 빠질 때에 이들 큰 자연 기공 내를 통과하여 휠 밖으로 빠지므로 본 발명의 효과를 충분히 얻을 수 없어 바람직하지 않기 때문이다.
구 형상의 기공 형성재를 사용하는 것은 무정형의 기공 형성재를 사용하는 것에 비해 입자간의 응집이 일어나기 어려워 휠 중에 균일하게 분산되므로, 상기의 휠 중의 지립과 본드를 포함한 층을 누르는 힘이 균일해진다. 또한 대형의 기공 형성재로 얻어진 기공끼리가 응집하여 특별히 큰 기공 직경의 개소가 발생하는 것을 회피할 수 있으므로 상기 효과가 보다 잘 나타나고, 또한 휠의 크랙 발생이라고 하는 문제를 회피할 수 있다고 하는 이점이 있다. 또한 연삭 시에 연삭 성능의 불균일성이 적어진다고 하는 이점도 있다.
본 발명의 효과는 구 형상의 평균 기공 직경 250~600㎛의 범위이며, 비트리파이드 본드로, R2O는 Na2O가 R2O 전량에 대하여 5~30wt%, Li2O가 R2O 전량에 대하여 25~45wt%, K2O가 R2O 전량에 대하여, 25~45wt%이며, 또한 K2O 및 Li2O의 각각은 Na2O 보다 많이 함유됨으로써 대폭적인 연삭 성능의 향상이 있고, 이들 R2O의 비율을 채용함으로써 보다 큰 효과가 나타나는 것이 발견되었다.
또한, 무기질의 기공 형성재도 있지만, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한 사용할 수 있다. 무기질의 기공 형성재에는, 예를 들면, 알루미나 벌룬, 멀라이트 벌룬, 카본 등이 있다.
평균 기공 직경이 250~600㎛의 범위 내이면, 상이한 직경의 기공 형성재의 혼합이여도, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 한 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명의 비트리파이드 본드 초지립 휠은, 바람직하게는, 지립 체적률이 5~40%, 바람직하게는 지립 체적률이 10~35%이다. 기공 체적률은 구 형상의 대경 기공과 자연 기공을 아울러 40~90%이다. 그 내역은 기공 형성재에 의한 기공의 비율은 15%~65%이다. 15%를 하회하면 본 발명의 효과인 소성 중 지립과 본드를 포함한 층을 누르는 힘이 부족하여 본 발명의 효과가 발현되지 않는다. 65%보다 많으면 휠에 크랙이 발생한다. 자연 기공에 의한 기공의 비율은 15%~35%이다. 15%를 하회하면 필연적으로 성형 압력이 높은 설계가 되고, 성형 후 휠에 크랙이 발생하거나, 또는 기공 형성재에 균열이 발생할 가능성이 있어 본 발명의 효과가 발현되지 않을 가능성이 있다. 35%보다 많으면 성형 후부터 소성까지의 휠의 취급이 곤란해져 제조상 지장이 발생한다. 또한 기공 형성재에 의한 기공의 비율은, 25%~60%가 더 바람직하다. 30%~55%가 보다 바람직하다. 자연 기공과 구 형상의 대경 기공을 합하여 40~80%가 보다 바람직하다. 본드율은, 100에서 지립 체적률 및 기공 체적률을 뺀 값이다.
본 발명의 휠은, 주로 초지립인 다이아몬드 지립이 단독으로 사용되지만, 본 발명의 효과가 발휘되는 한, 이것을 다른 지재(砥材)와 조합하여 사용할 수도 있다. 다이아몬드 지립과 함께 사용할 수 있는 다른 지립에는, 다른 초지립인 입방정 질화 붕소 지립, 초지립 이외에서는 알루미나계 지립, 탄화 규소계 지립, 실리카, 산화 세륨 및 멀라이트 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 지립이 포함된다. 상기 초지립 이외의 지립은 초지립과 함께 사용된다. 이들은 예시 열거이며, 본 발명의 목적을 일탈하지 않는 한 여기에 열거되어 있지 않은 다른 지립을 사용해도 된다.
본 발명의 비트리파이드 본드 초지립 휠은 하기와 같이 하여 제조할 수 있다.
즉, 본 발명과 관련된 비트리파이드 초지립 휠은 당업자가 일반적으로 인식하고 있는 순서로 제조할 수 있다. 그 일례를 나타내면:
1. 지립, 본드, 1차 결합제(바인더라고도 부름) 등을 소정 중량 계량한다.
2. 계량된 물질을 균일해질 때까지 혼합한다(혼합 원료라고 부름).
3. 혼합 원료를 소정 중량 계량하고, 성형 금형에 충전한다.
4. 소정 압력을 가하여, 소정 치수로 한다.
5. 성형 금형으로부터 취출하여 소성 온도의 최고 보류 온도보다 낮은 온도로 설정한 가열 분위기 용기에 일정 시간 넣는다.
6. 소성한다. 예를 들면, 소성 온도는 최고 보류 온도로 600~900℃의 범위이다.
7. 소성 후 소정 치수로 마무리하여 휠로 한다.
여기에 든 순서는 일례이며, 제조 조건 등에 따라 당업자가 통상 가지고 있는 기술적 상식의 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 설명하지만, 이들은 본 발명의 실시 가능성 및 유용성을 예증하는 것이며, 본 발명의 구성을 한정할 의도는 전혀 없다.
비트리파이드 본드 초지립 휠의 제조
하기와 같이 하여 본 발명의 비트리파이드 본드 초지립 휠 및 비교 비트리파이드 본드 초지립 휠을 제조했다(테스트 휠).
즉, 지립으로서는, 평균 입경 2㎛의 다이아몬드 지립을 이용하고, 기공 형성재로서 재질은 수지이며 구 형상의 것을 이용하고 입경은 각 테스트 조건으로 변경했다. 비트리파이드 본드를 13.7용량%로, 다이아몬드 지립을 13.7용량%로 하고, 기공 형성재에 의한 기공과 자연 기공을 합하여 72.6용량%가 되도록 조정하여, 공지의 바인더를 가하여 혼합한 후, 칩 형상의 성형체로 프레스로 성형하고, 온도 800℃에서 소성을 행했다. 소성 후, 칩 형상의 성형체를 소정 치수로 마무리하여 휠 편(片)으로 했다.
φ200×30T×φ40(mm)의 베이스메탈에 휠 편을 접착하여 세그먼트식 휠을 작성했다.
상기의 제조 방법에서 사용하는 테스트용 비트리파이드 본드 1~7의 조성을 하기의 표 1에 나타낸다.
Figure pat00001
표 중, 수치 단위는 wt%이다(R2O의 경우 상란). R2O의 wt% 하란에 기재되어 있는 % 수치는, R2O 전량을 100%로 하여, Li2O, Na2O 및 K2O의 각 중량 비율%이다.
상기의 테스트용 본드와, 평균 입경 15㎛, 75㎛ 및 700㎛의 기공 형성재를 사용하여 비교 휠을 작성하고, 평균 입경 300㎛ 및 500㎛의 기공 형성재를 사용하여 본 발명의 휠을 제조했다. 표 2~4에 테스트용 본드와 기공 형성재의 조합을 나타낸다.
Figure pat00002
본 테스트 조합은 본드 화학 성분에서 SiO2, Al2O3 및 B2O3의 성분 비율을 변화시킨 것이다. 비교예 1은 SiO2, Al2O3 및 B2O3은 특허 청구범위 내이고, 비교예 2~비교예 4는 상기 3성분 중 어느 것이 특허 청구범위 외이다.
사용하는 기공 형성재의 평균 입경의 표시는, 구입 메이커의 호칭이다. 이하도 마찬가지이다.
Figure pat00003
본 테스트는 본드에 대해서는 비교예 1과 동일하지만, 구 형상의 기공 형성재의 평균 입경을 변화시킨 것이다.
Figure pat00004
연삭 시험
연삭 시험의 조건은 다음과 같았다.
숫돌 치수: φ200×35T×φ40(mm), 컵형 숫돌
피삭재: 실리콘 웨이퍼(200mm(직경)×0.7mm (두께) 20매 연삭
연삭액: 증류수, 유량: 12리터/분
연삭반: 도시바기계사제 세로축 평면 연삭반, 형식 UVG-380B
드레싱 조건:
드레서: WA#4000
숫돌 회전수: 3822min-1
드레스 깊이: 20㎛/min
연삭 조건:
연삭 방식: 습식 인 피드 연삭
숫돌 회전수: 3822min-1
테이블 회전수: 121min-1
취득값: 30㎛
스파크 아웃: 10초
평가 항목: 휠 소모량(㎛), 마무리면 거칠기(Ra(㎛))
단, 평가 결과는 비교예 1을 100으로 한 상대값으로 나타낸다.
휠 소모량은, 연삭 전과 실리콘 웨이퍼 20매 연삭 후의 휠의 치수 변화량을 연삭반의 기계 좌표의 변화량으로 산출했다.
마무리면 거칠기(Ra)는, 실리콘 웨이퍼 20매 연삭 후의 실리콘 웨이퍼 20매째의 연삭면을 (주)코사카제작소제 SP-81DS2(접촉식)로 측정했다.
산술 평균 거칠기(Ra)란, 거칠기 곡선으로부터 그 평균선의 방향으로 기준 길이만큼을 발취하고, 이 발취 부분의 평균선의 방향으로 X축을, 세로 배율의 방향으로 Y축을 취하며, 거칠기 곡선을 y=f(x)로 나타냈을 때에, 다음 식 I에 의해 구해지는 값을 마이크로미터(㎛)로 나타낸 것을 말한다.
Figure pat00005
(식 I)
비교예 1의 휠 내구성을 100으로 하고, 다른 예의 값은 그 상대값으로 나타낸다.
마무리면 거칠기(Ra)는 100을 기준으로 값이 큰 쪽이 면 거칠기의 값이 낮아, 개선 효과가 높은 것을 나타낸다.
시험 결과
이하의 표 5~7에 테스트 휠의 연삭 시험 결과를 나타낸다.
Figure pat00006
구 형상의 기공 직경 및 애스펙트비는 휠 작성 후의 값이다.
이 산출은, 소성 후의 휠의 표면을 연마하고, 그 단면 관찰을 행하는 것으로 측정한다. 연마 완료 후에 휠의 표면에 노출된 기공 부분 100개소에 대해, 단경(a)과 장경(b)을 측정하고, 그 비(a/b)의 평균값을 진구도로 한다. 이하도 마찬가지이다.
비교예 1과 비교예 2(각각, 테스트 본드-1 및 테스트 본드-2를 사용)의 경우, R2O의 함유량은 동일하지만, 비교예 2는 비교예 1보다 SiO2를 적게 하고, 그 만큼 Al2O3과 B2O3을 증량한 것이지만, 그들 화학 성분의 증감에 의해 본드의 연화는 동일한 정도였지만, 휠 내구성과 면 거칠기는 비교예 1에 뒤떨어지는 것이었다.
비교예 3(테스트 본드-3)은 비교예 1보다 B2O3을 증량하고, 그 만큼 SiO2의 양을 감량시킨 것이지만 연화는 비교예 1보다 커졌다. 휠 내구성과 면 거칠기는 비교예 1보다 뒤떨어지는 것이었다.
비교예 4(테스트 본드-4)는 비교예 1보다 Al2O3과 SiO2를 감량하고, 그 만큼 B2O3의 양을 증량시킨 것이지만, 비교예 1에 비해 면 거칠기는 개선되었지만 휠 내구성은 뒤떨어져 있었다.
상기의 결과로부터, SiO2, Al2O3 및 B2O3은 55~70wt%의 SiO2, 5~15wt%의 Al2O3, 15~25wt%의 B2O3의 범위 중 어느 것이 벗어나면, 연삭 성능은 뒤떨어지는 것을 알 수 있다.
Figure pat00007
*실시예 1의 경우, 평균 입경 300㎛의 기공 형성재를 사용했음에도 불구하고, 기공 직경이 314.2㎛였다. 이것은 기공 형성재가 기화될 때 주변을 누르는 힘이 작용하여 기공의 직경이 커진 것으로 생각된다.
구 형상의 기공이, 14.0㎛, 71.3㎛, 314.2㎛로 커짐에 따라, 연삭 성능이 향상되고, 특히, 314.2㎛의 경우에 연삭 성능이 현저하게 향상된 것을 알 수 있다.
놀랍게도, 구 형상 기공이 200㎛를 초과하여 314.2㎛의 기공인 경우, 휠 내구성이 현저하게 증가하고 면 거칠기도 향상된, 즉 웨이퍼의 품질이 현저하게 향상된다고 하는 결과가 되는 것을 알 수 있었다.
Figure pat00008
실시예 2는 R2O량에서는, Na2O의 비율이 가장 많고 실시예 1보다 Li2O를 증량한 것(테스트 본드-5)이며 휠 내구성은 20%(향상)였다.
실시예 3은 Na2O의 비율이 가장 많고 실시예 1보다 K2O의 비율을 증량한 것(테스트 본드-6)이며, 휠 내구성은 18%(향상)였다. 이들은 실시예 1과 동일한 정도의 효과가 인정되었다.
실시예 4는 Na2O의 비율이 적고 실시예 1보다 K2O 및 Li2O의 비율을 증량한 것(테스트 본드-7)이지만, 휠 내구성은 49%가 향상, 면 거칠기도 7%가 향상되어 당업자의 예상을 훨씬 뛰어 넘어 대폭적인 연삭 성능의 향상을 달성하고, 또한 웨이퍼의 면 거칠기가 작아진 것에 의해, 웨이퍼의 품질 향상에도 현저한 효과가 있었다.
실시예 5, 실시예 6은 구 형상의 기공 형성재를 실시예 4보다 큰 것을 사용했지만(실시예 5는, 300㎛/500㎛=1:1의 혼합한 기공 형성재를 사용; 실시예 6은, 500㎛의 기공 형성재를 사용), 이것도 실시예 4와 마차가지로 당업자의 예상을 훨씬 뛰어 넘어 대폭적인 연삭 성능의 향상을 달성하고, 또한 웨이퍼의 면 거칠기가 작아진 것에 의해, 웨이퍼의 품질 향상에도 현저한 효과가 있었다.
비교예 9에서 구 형상의 기공 형성재 700㎛을 사용했지만 휠에 크랙이 발생하여, 비트리파이드 본드 초지립 휠로서 사용할 수 없는 부적격품이 되었다.
구 형상의 기공 형성재와 실제의 휠 기공 직경과의 관계
측정한 휠: 비교예 1 실시예 1
기공 형성재의 직경: 75㎛ 300㎛
구 형상의 기공 직경 및 애스펙트비의 산출은, 소성 후의 휠의 표면을 연마하여, 그 단면 관찰을 행하는 것으로 측정한다. 연마 완료 후에 휠의 표면에 노출된 기공 부분 100개소에 대해, 단경(a)과 장경(b)을 측정하고, 그 비(a/b)의 평균값을 진구도로 한다.
Figure pat00009
이상의 결과가 되었지만, 실시예 1은 비교예 1과 달리 휠 제조 전의 직경보다 커진 것이 발견되었다.
유기질의 구 형상의 기공 형성재가 고체로부터 기체로 변화됨으로써 체적은 팽창하고, 이 압력으로 주변의 지립과 본드를 포함한 층으로 누르는 힘이 작용하여, 이에 본드의 연화가 시작되면 지립과 결합제의 층이 눌려 밀접하게 결합된 결과, 지립의 유지력이 향상되어 양호한 휠의 발명에 이르렀다고 생각된다. 이에 대하여 비교예 1은 원래의 기공 형성재의 직경보다 작게 되어 있으며, 본 발명의 효과는 발현되고 있지 않은 것을 확인했다.
이하, 첨부의 도면에 대하여 상세한 설명을 한다.
도 1~도 4에 휠의 기공의 상태를 나타내는 확대 사진을 첨부한다.
도 1의 실시예 1에서는 기공이 균일하게 분산되어 있는 것에 비해, 도 2의 비교예 1에서는 기공이 달라 붙어 있는 많은 개소도 볼 수 있어 적어도 균일하지는 않다. 도 3은 실시예 1의 기공의 사이에 있는 지립과 결합제의 상태를 나타내고 있다. 도 4는 비교예 1의 기공의 사이에 있는 지립과 결합제의 상태를 나타내고 있다. 비교예 1은 조직 상태가 지립의 형상이 명확하게 관찰할 수 있는 개소가 대부분이었다. 큰 요철이 있는 것은 시료의 마무리 평면화를 행할 때, 지립과 결합제가 불규칙하게 탈락했기 때문이라고 생각한다. 이것은 연삭 시라도 동일한 일이 일어난다고 생각되므로, 휠에서의 지립 유지력은 약하다고 생각한다. 실시예 1은 자연 기공의 부근 부분에서는 비교예 1과 마찬가지로 지립의 형상이 명확하게 관찰할 수 있는 개소가 있었지만, 그 이외의 장소에서는 지립의 형상을 관찰할 수 없는 개소가 있었다. 이것은 지립과 결합제가 밀접하게 결합하고 있는 상태이다. 그 개소는 큰 요철이 없고, 시료의 마무리 평면화를 행할 때, 지립과 결합제가 불규칙하게 탈락하지 않았기 때문이라고 생각되고, 연삭 시 지립의 큰 탈락은 없다. 이것은 지립과 결합제의 층이 눌려 밀접하게 결합함으로써 지립의 유지력이 향상된 것을 뒷받침할 수 있다. 따라서 비교예 1은 실시예 1의 효과는 발현되지 않은 것을 뒷받침할 수 있다.

Claims (3)

  1. 초지립을 비트리파이드 본드에 의해 결합한 초지립층을 가지는 비트리파이드 본드 초지립 휠로서,
    상기 초지립층에 분산되어 배치된 평균 기공 직경이 250~600㎛의 구 형상의 기공을 포함하고, 상기 구 형상의 기공의 단경(a)과 장경(b)의 비(a/b)의 평균값이 0.5 이상 1.0 이하이며,
    실리콘, 사파이어 및 화합물 반도체 등의 각종 웨이퍼의 연삭 가공에 이용되는 것을 특징으로 하는 유기공의 비트리파이드 본드 초지립 휠.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비트리파이드 본드는, 55~70wt%의 SiO2, 5~15wt%의 Al2O3, 15~25wt%의 B2O3, 1~6wt%의 RO(RO는 CaO, MgO 및 BaO 중 적어도 일종으로부터 선택됨), 및 4~10wt%의 R2O(R2O는 K2O, Na2O 및 Li2O 중 적어도 일종으로부터 선택됨)가 사용되는 것을 특징으로 하는 유기공의 비트리파이드 본드 초지립 휠.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 R2O가 K2O, Na2O 및 Li2O를 포함하고,
    상기 Na2O가 R2O 전량에 대하여 5~30wt% Li2O가 R2O 전량에 대하여 20~45wt% K2O가 R2O 전량에 대하여 20~45wt%이며, 또한 K2O 및 Li2O의 각각은 Na2O 보다 많이 함유되는 것을 특징으로 하는 유기공의 비트리파이드 본드 초지립 휠.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112091834A (zh) * 2020-09-17 2020-12-18 江苏华东砂轮有限公司 一种陶瓷结合剂大气孔砂轮及其制备方法

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