TW201544255A - 工件的平面磨削方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種工件的平面磨削方法，其能以飛躍性的高精度加工硬脆材料、難切削材料等的工件，可顯著地提高加工率。在本發明的工件的平面磨削方法中，一邊供給包含磨粒的漿料(5)，一邊通過杯型的磨石(3)磨削工件(W)，同時使磨石(3)以低圓周速度旋轉。磨石(3)的圓周速度在500m/min.以下，較佳在30~430m/min.為合適。另外，以4.0ml/cm2/h以下，較理想為1.0~2.0ml/cm2/h的流量慢慢地向工件(W)的磨削面上滴下或噴霧漿料(5)。

Description

工件的平面磨削方法
本發明涉及一種工件的平面磨削方法，其適用於藍寶石晶圓等的硬脆材料、難切削材料的工件的加工。
在具有杯型磨石的平面磨床中，在磨削用於製造半導體元件的藍寶石晶圓、矽晶圓等的工件的場合，使磨石高速旋轉的同時進行切削，並磨削成鏡面狀。
但是，在工件是藍寶石晶圓等的硬脆材料的場合，有不能以高加工速率進行高精度加工的問題。即，在工件較硬的場合，磨石的刃難以起作用，磨削中的磨粒的磨損較快，磨石平面的鈍化、氣孔阻塞、磨粒潰落導致的劣化加快，很快就不能磨削。因此，會導致只有磨石磨損、磨石變得無法切削、以非常低的加工速率進行磨削的情況，在#1500程度以上的磨石的場合，會有不能對硬工件進行較實用的磨削的問題。
作為該問題的解決方法，有開發出鋒利程度較高的磨石、或開發出強力切入磨石的高剛性的機械，還有與一般的解決方法不同的方案，即，一邊將具有微小磨粒的漿料供給到工件的磨削面上，一邊將以 6000rpm程度的轉速進行高速旋轉的磨石進行切入的磨削方法(專利文獻1)。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開2013-222935號公報
在供給該漿料的同時進行磨削的方法，具有透過其液體中的磨粒促進磨石的自生發刃之作用，與不供給漿料而進行磨削的情況相比較之下，可期待使磨石能鋒利地切削。
但是，在現實的硬脆材料的工件的磨削中，工件和磨粒的硬度差較小，並且磨石在6000rpm程度的轉速下高速旋轉，磨石的磨粒等的適合範圍變得苛刻，在磨削中，難以在磨粒進行適當地自生發刃的狀態下使用磨石。因此，僅僅稍稍改變加工狀態，磨石也會變得不合適，其結果為具有工件的表面粗糙度、平坦度(TTV)降低等導致無法高精度地磨削工件的問題。
即，如果磨粒磨損，磨石的鋒利程度變差，則由於該鋒利程度較差的磨粒的高速旋轉，產生使工件的磨削面過度刮損等的脆性破壞，工件的磨削面的表面粗糙度變差。另外，由於鋒利程度較差的磨石在高速旋轉時，磨削中的工件和夾盤的發熱量增多，由於兩者在熱膨脹的狀態下磨削，故磨削後的工件的平坦度(TTV)低下。
特別是在用杯型的磨石磨削工件的場合，由於磨石時常接觸的工件的中心部分的溫度顯著地上升，在中心部分呈凸狀的熱膨脹狀態下磨削工件，所以磨削後的工件的表面呈凹狀，平坦度惡化。
本發明著眼於這樣的現有問題，其目的在於提供一種工件的平面磨削方法，其能以飛躍性的高精度加工硬脆材料、難切削材料等的工件，顯著地提高加工率。
本發明為在供給包含磨粒的漿料的同時，藉由杯型的磨石磨削工件之工件的平面磨削方法，使上述磨石以低轉速旋轉的發明。
上述磨石的圓周速度為500m/min。以下，理想為30~430m/min較合適。
較佳為將上述漿料從工件上滴下或噴霧。另外，也可按照下述方式供給：將從噴射噴嘴噴出的空氣噴向處於由滴下管路滴下途中狀態的上述漿料，一邊將漿料噴成霧狀，一邊供給至上述工件的磨削部。
慢慢供給流量為4.0ml/cm2/h以下，較理想的流量為1.0~2.0ml/cm2/h的上述漿料。
上述工件為硬脆材料或難切削材料。另外上述漿料較佳為包含在上述工件的磨削中促進上述磨石的自生發刃的上述磨粒。
本發明有如下優點，以飛躍性的高精度加工硬脆材料、難切削材料等的工件，顯著地提高加工率。
1‧‧‧平面磨床
2‧‧‧夾盤台
3‧‧‧磨石
4‧‧‧磨石軸
5‧‧‧漿料
6‧‧‧供給手段
7‧‧‧夾盤手段
8‧‧‧滴下管路
9‧‧‧噴射噴嘴
W‧‧‧工件
圖1為表示本發明的第1實施方式的平面磨床的立體圖；圖2為表示本發明的第1實施方式的平面磨床的俯視圖；圖3為表示本發明的第1實施方式的平面磨床的正視圖；圖4為表示本發明的第1實施方式的磨石的圓周速度與工件的溫度、TTV的關係的示意圖；圖5為表示本發明的第1實施方式的漿料流量與磨石的自生發刃(磨損)量的關係的圖；圖6為表示本發明的第1實施方式的磨石圓周速度與工件除去量的關係的圖；圖7為表示本發明的第2實施方式的平面磨床的正視圖。
下面按照圖式對本發明的實施方式進行詳細說明。
圖1~圖3分別例示了本發明的第1實施方式，該圖1為平面磨床的立體圖，圖2為平面磨床的俯視圖，圖3為平面磨床的正視圖。
平面磨床1如圖1~圖3所示的那樣，具有：夾盤台2，該夾盤台2可圍繞縱軸向以箭頭a方向旋轉；磨石3，該磨石3在該夾盤台2的上側，被配置成可在 上下方向自由移動，並且可向箭頭b方向旋轉；供給手段6，該供給手段6在磨削時，在夾盤台2上的工件W的上面，滴下或噴霧包含磨粒的漿料5，並慢慢地進行供給。
另外，夾盤台2、工件W的旋轉方向是任意的，可根據需要使上述一者或兩者向不同於實施方式的方向旋轉。此外，在該實施方式中，示例了夾盤台2和磨石3圍繞縱軸旋轉的縱型的平面磨床1，但是，平面磨床1也可為夾盤台2等圍繞傾斜軸旋轉的傾斜式。
夾盤台2可在夾盤手段7的上面以呈大致同心的方式安裝工件W，從而在不足500rpm的轉速下圍繞縱軸心向以a箭頭方向旋轉。另外，夾盤手段7由吸附式或其他適當的手段構成，在其上面以可自由裝卸的方式安裝有工件W。另外，夾盤台2亦可以以500rpm以上的轉速旋轉。
磨石3為杯型，以可自由裝卸的方式安裝在磨石軸4的下方，其周緣側以可通過於工件W的大致中心部分的方式，配置於相對工件W的偏心位置。而且，磨石3在磨削工件W時，一邊以500m/min.以下、較佳為30~430m/min.、更佳為50~250m/min.程度的低圓周速度旋轉，一邊以磨削負載為大致一定的方式使磨石軸4下降並切削。另外，關於磨石3的圓周速度，例如在磨石3的直徑為160mm的場合，其轉速如果大致為60~860rpm，則大致為30~430m/min.。
供給手段6在工件W上的中心部或其附近慢慢地呈噴霧狀地供給漿料5，供給手段6具有：滴下管路8，該滴下管路8在工件W的中心部分或其附近從上側慢慢地滴下漿料5；噴射噴嘴9，該噴射噴嘴9面向工件W的中心部分或其附近噴射空氣，通過該空氣，將從滴下管路8滴下的漿料5呈霧狀吹起。
漿料5的每小時的流量為4.0ml/cm2/h以下，理想流量為1.0~2.0ml/cm2/h的程度較適當，將該流量的漿料5慢慢而連續或間歇地供給。因此，根據工件W的外徑的大小，按照每數秒1滴程度的比例，慢慢地從滴下管路8滴下即可。
噴射噴嘴9相對於工件W的中心，設置於與磨石3大致相反側，噴射噴嘴9朝向工件W的磨削面的中心部分噴射空氣。因此，可以藉由磨石3的外周面，阻止在工件W的磨削面上之呈霧狀的漿料5向外部的飛散。
此外，供給手段6，特別是其噴射噴嘴9，如果是使從滴下管路8滴下的漿料5可在工件W的磨削面上無損耗地噴霧的方向，則其朝向等沒有問題。此外，也可不設置噴射噴嘴9，僅僅從滴下管路8向工件W上滴下漿料5而進行供給。
關於用於漿料5的磨粒，#8000的鑽石、GC(SiC)較合適，但是也可為其他的磨粒(WA、CBN、氧化鈰)或粒度。因此，根據不同的工件W的表面粗糙度、所使用的磨石3，適當地調整漿料5中的磨粒的種類、粒度即可。
在該平面磨床1中，在磨削藍寶石晶圓等的硬脆材料的工件W的場合，首先將工件W安裝於夾盤台2上。接著，一邊使工件W與夾盤台2一體地以50rpm向箭頭a方向旋轉，將磨石3以125m/min.的低圓周速度向箭頭b方向各自旋轉，一邊使磨石3下降，對工件W切削。
另一方面，在該磨削中，按照工件W的每單位面積的平均供給量為4.0ml/cm2/h以下，較佳流量為1.0~2.0ml/cm2/h程度的方式，從供給手段6將漿料5呈噴霧狀地供給到工件W上。例如，從滴下管路8的前端以數秒1次的比例將0.1ml程度的漿料5一滴一滴地滴下，透過噴射噴嘴9所噴出的空氣，將該滴下的漿料5向工件W的中心部分呈霧狀地一邊噴出一邊供給，在該狀態下通過磨石3磨削工件W。
另外，在工件W的磨削中，以磨石3的磨削負載為大致一致的方式進行速度控制。這是因為磨石3的切削速度如果設為一定，一旦速度加快時則會發生超載，一旦速度減慢時則切削效率會降低。切削速度以工件溫度為一定的方式，例如控制在一定範圍內的方式進行速度控制。另外，在磨石3的磨削負載被控制在一定範圍內的場合，切削速度可在該範圍內為大致一定的速度，也可被控制為多級。
在工件W的切削中不供給磨削液，在工件W磨削結束後，供給以洗淨和冷卻工件W為目的的洗淨和冷卻液。但是，如果為不會影響到磨削的程度，則也可在切削工件W的過程中供給磨削液、其他的液體。
一邊像這樣向工件W上慢慢地供給漿料5，一邊藉由以低圓周速度旋轉的磨石3磨削工件W，由此，如以高速旋轉的磨石3磨削的情況般，僅僅通過磨削狀態的變化便可解決磨石3不適宜等問題，可在適當地促進磨石自生發刃的狀態下使用磨石3。
由此，在無需修整(no-dressing)狀態下可長期穩定地保持磨石3的鋒利程度，即使工件W為脆硬材料或難切削材料，也具有下述優點，即以飛躍性的高精度加工工件W，而且顯著地提高加工率。
例如，如果一邊慢慢供給漿料5，磨石3一邊以低圓周速度旋轉，則即使在使用了#1500以上的細粒磨石的情況，磨粒的磨損減少，透過漿料5中的磨粒可促進磨石3的適度的自生發刃之作用，可維持磨石3的適當的鋒利程度，可無需修整地磨削工件W。
特別是由於磨石3在低圓周速度下旋轉，在促進適當的自生發刃的狀態下可穩定地使用磨石3，沒有在加工狀態發生微小變化，磨石3發生不適合等的問題，由於可穩定地維持良好的鋒利程度，故加工率與現有技術相比得到顯著提高。
另外，由於具有適當的銳利程度的磨石3一邊在工件W的磨削面上以低圓周速度旋轉，一邊以高加工率磨削，故即使工件W為脆硬材料等，也可防止磨粒使工件W的磨削面過度磨削而刮取等的脆性破壞，工件W的磨削面的表面粗糙度得到顯著提高。
進一步地，由於以低圓周速度旋轉的鋒利程度高的磨石3可高效地磨削工件W，故可抑制工件W等的磨削熱，可防止夾盤台2、工件W的熱膨脹所導致的磨削精度、特別是平坦度(TTV)的降低。
在開發像這樣一邊供給漿料5一邊使磨石3以低圓周速度旋轉而磨削工件W的平面磨削方法時，關於磨石圓周速度和工件溫度、TTV的關係、漿料流量和磨石自生發刃(磨損)量的關係、以及磨石圓周速度和工件除去量的關係進行了實驗，得到了圖4~圖6所示的結果。
圖4表示磨石圓周速度和工件溫度、TTV的關係。關於藍寶石製的工件W，工件W的轉速設為50rpm、磨石3和工件W的圓周速度設為從0m/min.到850m/min.的範圍內的7個階段，一邊供給漿料5，一邊在各圓周速度的磨石3磨削工件W，在測定各圓周速度時的工件溫度以及TTV時，得到了圖4所示的結果。
其結果為，在圓周速度為0m/min.的場合可以磨削工件W。在周速度大於500m/min.的場合，由於工件溫度迅速上升、並且TTV增大，故可判斷出工件W的磨削精度、特別是平坦度發生惡化。另一方面，如果設置磨石3的圓周速度為500m/min.以下，較佳為30~430m/min.，更佳為大致50~250m/min.程度的低圓周速度，則可判斷出工件溫度穩定、並且TTV降低。
因此，根據該圖4的結果，可判斷出：如果磨石3以500m/min.以下，較佳為30~430m/min.，更佳 為大致50~250m/min.程度以下的低圓周速度旋轉，則可將工件溫度、TTV抑制到較低程度，並且可確保工件W的磨削精度。
圖5表示漿料流量和磨石自生發刃(磨損)量的關係。關於藍寶石製的工件W，將工件W的轉速設定為50rpm，將磨石3的圓周速度設定為125m/min.，一邊分6個階段改變漿料流量一邊進行各工件W的磨削，在測定各漿料流量的磨石自生發刃(磨損)量時，得到了圖5所示的結構。
根據該結果可以判斷出，如果使漿料流量減少，則因漿料5中的磨粒所致的自生發刃之作用，磨石3的鋒利程度得到提高但磨石磨損增大，相反地，如果漿料流量增多，則磨粒的自生發刃之作用降低，磨石磨損有減少傾向。
因此，根據圖5的結果，為了在兼顧磨石成本和漿料成本的同時，確保磨石3的適當的自生發刃之作用並且極力抑制磨石3的磨損，判斷出漿料流量較佳為4.0ml/cm2/h以下，更佳為1.0~2.0ml/cm2/h的程度。
圖6表示磨石圓周速度和工件除去(磨削)量的關係。關於藍寶石製的工件W，工件轉速設為50rpm，漿料流量設為1.0ml/cm2/h，磨石3和工件W的圓周速度設定在10m/min.至850m/min.的範圍內的6個階段而對工件W進行磨削，在測定各圓周速度下的工件除去量時，獲得了如圖6所示的結果。
另外，在圖6中，一邊表示了供給通常的磨削液，一邊表示了磨削工件W的情形的磨石圓周速度和工件除去量之間的關係。各工件除去量係磨石3的磨削負載為一定，並且切削量相同的場合的值。
根據該圖6的結果，在一邊供給漿料5一邊以低圓周速度旋轉磨石3而磨削的場合，與一邊供給通常的磨削液一邊以低圓周速度磨削的場合相比較，可以判斷出，磨石3的鋒利程度提高，工件除去量增多，可高效地磨削。
另外，在供給相同流量的漿料5的場合也可以判斷出，特別是在圓周速度為250m/min.前後旋轉磨石3時的工件除去量最大；在不足30m/min.的圓周速度和高於430m/min.的圓周速度的場合，工件除去量減少；以圓周速度250m/min.為中心，在圓周速度30m/min.和430m/min.之間工件除去量較大地變化。
其原因在於，如果圓周速度不足30m/min.，則漿料5中的磨粒等所致的磨石磨損增大，另外如果超過430m/min.，則磨石3的滑動等增大，由此，該圓周速度範圍內的工件除去量有降低傾向。
因此，從圖4和圖6的結果可知，磨石3的圓周速度為500m/min.以下，較佳為30~430m/min.，更佳為大致50~250m/min.程度，由此，可穩定地維持磨石3的銳利程度為良好狀態，可顯著地提高加工率。
另外，銳利程度良好的磨石3可磨削工件W，故與一邊供給通常的磨削液一邊磨削的場合相比 較，可以防止工件W的磨削面側的脆性破壞，可顯著提高表面粗糙度、平坦度的磨削。
圖7表示本發明的第2實施方式。一邊透過來自噴射噴嘴9的空氣噴出並霧化來自滴下管路8一滴一滴地滴下的漿料5，一邊進行供給，在此情況下，如圖7所示，在相對於工件W的中心而與磨石3的相反側離開的位置，設置有滴下管路8和噴射噴嘴9，藉由來自噴射噴嘴9的氣體，將該從滴下管路8的前端滴下的漿料5向工件W的磨削面的中心附近的箭頭c方向噴出。藉此，則可使滴下管路8和噴射噴嘴9離開磨石3。
在上面，對本發明的實施方式進行了詳細說明，但是本發明並不限於該實施方式，可進行各種變形。例如，關於供給手段6的漿料5的供給，也可將漿料5向工件W的磨削面上直接滴下，也可通過噴射噴嘴9將漿料5呈霧狀噴出。因此，漿料5的供給形態並不是問題，若可慢慢地供給漿料就足夠了。
另外，在本發明中，工件W的材質並不是問題。除了藍寶石晶圓等的硬脆材料的磨削以外，可適用SiC、GaN等的難切削材料的磨削。也可用於易切削材料的磨削。漿料5所含的磨粒除鑽石以外，也可為例如GC磨粒。另外，該磨粒的粒度與磨石3相同即可，也可大於磨石3或小於磨石3。
如果採用實施方式的磨削方法，可防止工件W的磨削熱導致的平坦度的惡化等、加工精度的降低，但是為了進一步提高加工精度，也可另外設置修正工件W的成品形狀的機構。
作為該修正手段，可考慮例如安裝冷卻裝置，抑制加工熱的上升。另外在冷卻法中，具有給予工件W冷風的方法、工件驅動器中組裝冷卻機構(水冷式、帕耳帖(Peltier)式等)的方法、冷卻漿料5而進行供給的方法等。
另外，可以想到通過傾斜磨石軸4或工件驅動器軸進行磨削，由此修正工件形狀的方法、通過使工件驅動器的工件接觸面形成為中間凹陷等的形狀，由此修正工件形狀的方法。在將工件接觸面設置為中間凹陷的場合，將夾盤的工件接觸面事先僅設為中間凹陷的平坦度惡化的量即可。
在工件W的磨削中或工件W的磨削結束後進入下一個工件W的磨削時等的適當的時期，可以根據當時的情況，控制應該從供給手段6向工件W的磨削面上供給的漿料5的條件。即，也可改變磨粒的大小、重量、成分、供給量來改變磨石的磨損量。
例如，從圖5的結果可知，即使在供給相同種類的漿料5的場合，根據其供給量的大小使磨石3的自生發刃(磨損)量發生變化。因此，供給手段6的途中也可設置流量控制手段，捕捉磨石3的自生發刃(磨損)量的變化，以其自生發刃(磨損)量基本一定的方式控制漿料5的流量。
另外，也可在漿料5中混合與磨石成分(特別是其結合成分等)起化學反應的成分，將混合有該成分的漿料5供給到工件W的磨削面上。在該場合，通過與磨 石3的結合成分的化學反應，可增大或減小磨粒的突出量，改變磨石3的鋒利程度。
1‧‧‧平面磨床
2‧‧‧夾盤台
3‧‧‧磨石
4‧‧‧磨石軸
5‧‧‧漿料
6‧‧‧供給手段
7‧‧‧夾盤手段
8‧‧‧滴下管路
9‧‧‧噴射噴嘴
W‧‧‧工件

Claims (7)

  1. 一種工件的平面磨削方法，在該方法中，一邊供給包含磨粒的漿料，一邊通過杯型的磨石磨削工件，其特徵在於，使上述磨石以低圓周速度旋轉。
  2. 如請求項1之工件的平面磨削方法，其中，上述磨石的圓周速度為500m/min.以下，較佳為30~430m/min.。
  3. 如請求項1之工件的平面磨削方法，其中，上述漿料被滴下或噴霧在工件上。
  4. 如請求項1之工件的平面磨削方法，其中，將從噴射噴嘴噴出的空氣吹向從滴下管路滴下途中的上述漿料，一邊將漿料吹成霧狀，一邊供給至上述工件的磨削部。
  5. 如請求項1至4中任一項之工件的平面磨削方法，其係慢慢供給流量為4.0ml/cm2/h以下、較佳流量為1.0~2.0ml/cm2/h的上述漿料。
  6. 如請求項1至4中任一項之工件的平面磨削方法，其中，上述工件為硬脆材料或難切削材料。
  7. 如請求項1至4中任一項之工件的平面磨削方法，其中，上述漿料包含在上述工件的磨削中促進上述磨石自生發刃的上述磨粒。
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