(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビトリファイド超砥粒製品であって、
ａ）超砥粒成分；この超砥粒成分は、ダイヤモンド、ジルコニアおよび酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種のメンバーを含む
ｂ）前記超砥粒成分が分散しているビトリファイド結合剤成分；このビトリファイド結合剤成分は、本質的にすべて直径８００μｍ未満であり、その８０パーセントは約６０μｍから約５００μｍの範囲であり、約１．５未満の平均アスペクト比を有し、前記超砥粒製品の全容積の約５０％から約９０％の範囲の気孔率を有する気孔を規定する
ｃ）炭化ケイ素；この炭化ケイ素は、ビトリファイド超砥粒製品全量の約０．１から約５容積パーセントの範囲の量で存在する
を含むビトリファイド超砥粒製品。
【請求項２】
前記超砥粒成分が、ビトリファイド超砥粒製品の約０．１から約２０容積パーセントの範囲の量で存在する、請求項１に記載のビトリファイド超砥粒製品。
【請求項３】
前記超砥粒成分の数平均粒径が、約０．５ミクロンから約６０ミクロンの範囲である、請求項２に記載のビトリファイド超砥粒製品。
【請求項４】
前記超砥粒成分対ビトリファイド結合剤成分の容積比が、約３：２から約１：９９の範囲である、請求項２に記載のビトリファイド超砥粒製品。
【請求項５】
前記ビトリファイド結合剤成分が、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルカリ酸化物（Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物（ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ）からなる群から選択される少なくとも１種のメンバーを含む、請求項１に記載のビトリファイド超砥粒製品。
【請求項６】
研削工具の少なくとも一構成要素として構成される、請求項１に記載のビトリファイド超砥粒製品。
【請求項７】
前記研削工具がホイールである、請求項６に記載のビトリファイド超砥粒製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２００８年６月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／１３２，８０８号に対する優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
この世界は、より薄く、より小さい装置に向かっており、より薄いウェーハ（５０ミクロン未満）に対する要求がますます増している。研削シリコンウェーハのより高い強度を達成するために、より小さい粒子の使用が必要とされる。研削中に、複合ミクロ構造における粒子のサイズの低下は、ウェーハから出てくる有効なチップ厚さを減少させるために必要な力を低下させる。チップ厚さの減少の結果として、最終の研削シリコンウェーハの強度は増加する。さらに、ウェーハ製造技術における新しい開発は、より大きいサイズのウェーハに向かっており、それにより、研削工程中にウェーハの平坦性を維持することがますます困難となっている。
【０００３】
これらの材料の荒削りおよび仕上げに用いられる多くの従来の砥粒工具は、金属結合超砥粒を含む。金属結合砥粒工具は一般に、ガラス結合工具より１時間当たりより少ない部品を研削する。さらに、金属結合砥粒工具は、電子装置に組み込まれる部品の表面を汚染し、それにより、研削用途またはシリコンウェーハのスライスのためのそれらの使用をかなり制限し得る。
【０００４】
通常、ビトリファイド結合工具は、より高い剛性および低い分解性を与え、それにより、より良好な許容範囲、製品の平坦性、およびホイール当たり製造され得る部品の数の増加をもたらす。より低いグリットサイズを有するビトリファイド結合研削工具を用いることができるが、それらは通常、低い気孔率または気孔構造のために十分な自生発刃能を有しない。
【０００５】
樹脂結合はしばしば、より高い磨耗を示し、自生発刃能を有する。通常、樹脂結合の比較的低い剛性は、ビトリファイド結合および同様のグリットサイズの粒子を用いる研削工具よりも低い表面粗さまたはより良い仕上げをもたらす。しかし、樹脂結合は通常、粒子が研削中の弾性樹脂結合の内部で押され、それにより、より高い加圧を要し、その結果、研削表面で高温を生じさせるのでグリットサイズが２ミクロンより低い場合用いることができない。結果として、特により大きいウェーハに適用される場合、研削中にウェーハの許容される平坦性の維持は、より困難になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
裏面研削のための好ましい構造は、樹脂結合超砥粒ホイールである。樹脂結合超砥粒ホイールの寿命は、より小さい粒子に関して全く魅力的でない。したがって、自生発刃能を有するより細かい粒子を有する高気孔率のビトリファイド超砥粒ホイールに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は一般に、ビトリファイドダイヤモンド超砥粒製品、およびビトリファイド超砥粒製品を製造する方法に関する。
【０００８】
本発明のビトリファイド超砥粒製品は、超砥粒成分、および超砥粒成分が分散しているビトリファイド結合剤成分を含み、ここで、ビトリファイド結合剤成分はビトリファイド超砥粒製品において全容積の約５０％超を占める気孔を規定する。
【０００９】
別の実施形態において、本発明は、シリカを含みおよびビトリファイドダイヤモンド砥粒の全容積の少なくとも約５０％の気孔率を有するビトリファイド結合剤成分を含むビトリファイド超砥粒である。超砥粒成分は、約０．５ミクロンから約６０ミクロンの範囲の数平均粒径を有する粒子から本質的になり、ここで、砥粒成分対ビトリファイド結合剤成分の容積比は、約３：２から約１：９９の範囲である。
【００１０】
さらに別の実施形態において、本発明は、ベースおよびベースの表面におけるビトリファイド超砥粒成分を含む研削工具に関する。ビトリファイド超砥粒成分は、超砥粒成分、および砥粒成分が分散しているビトリファイド結合剤成分を含む。ビトリファイド結合剤成分は、ビトリファイド超砥粒成分の全容積の約５０％超を占める気孔を規定する。
【００１１】
さらに別の実施形態において、本発明は、ガラス粉末、超砥粒グリット、結合剤および炭化ケイ素を含む超砥粒混合物である。具体的な実施形態において、ガラス粉末には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルカリ酸化物（Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物（ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ）からなる群から選択される少なくとも１種のメンバーが含まれる。超砥粒グリットには、約０．５ミクロンから約６０ミクロンの範囲の数平均粒径を有するダイヤモンド粒子が含まれ、ここで、超砥粒グリット対ガラス粒子の容積比は、約３：２から約１：９９の範囲である。結合剤には、ポリエチレングリコール、水、ポリエチレングリコールと水の混合物、およびコロイドシリカからなる群から選択される少なくとも１種のメンバーが含まれる。炭化ケイ素は、約０．１ミクロンから約２０ミクロンの範囲の数平均粒径を有する粒子の形態で存在する。炭化ケイ素は、混合物中に、混合物のガラス粉末、超砥粒グリット、結合剤および炭化ケイ素成分の全量の約０．１から約５容積パーセントの範囲で存在する。
【００１２】
さらなる実施形態において、本発明は、ガラス粉末、超砥粒グリット、結合剤および炭化ケイ素の混合物から素地を形成する工程を含む、ビトリファイド超砥粒を形成する方法に関する。この素地は、大気圧下で、および炭化ケイ素を酸化させるために十分な温度で焼成させる。
【００１３】
本発明はいくつかの利点を有する。例えば、発泡剤としての炭化ケイ素の使用は、ビトリファイド製品にとって比較的高い気孔率を与える。したがって、この製品は、比較的小さい粒径の超砥粒粒子を結合することができる利点を有し、なおかつ比較的大きなシリコンウェーハを有効に研磨するために必要な強度を犠牲にすることなく、自生発刃性であるために十分な気孔率を有する。結果として、本発明のビトリファイド超砥粒製品は、ビトリファイド超砥粒工具の利点を保持したままで、比較的低い表面粗さおよび通常ビトリファイド結合砥粒製品によって得られるよりもより良い仕上げをもたらす。
【００１４】
多孔性は研削に重要な役割を果たす。多孔性は、加工物と複合ミクロ構造の間の接触面積を調節する。多孔性はまた、ミクロ構造の周りの冷却剤の動きを容易にし、研削表面温度をできるだけ低く保つ。
【００１５】
気孔の平均孔径を中心として孔径の狭い分布によって規定されるその構造の均一性は、一貫および安定した研削性能に直接関係する。気孔の平均孔径より非常に大きな気孔は欠陥として作用し、研削の一貫性に悪影響を与える。さらに、アスペクト比は、その構造の均一性の別の尺度を与える。１に近い値は、高度の均一性を示す。本発明は、孔径の狭い分布、低い欠陥含量および１に近いアスペクト比の組合せを与える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ビトリファイド超砥粒製品を用いる工具の一実施形態の断面である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上述は、同様の参照文字は異なる図を通して同じ部分を指す添付の図面で示されるように、本発明の実施例の実施形態の以下のより特定の説明から明らかである。図面は必ずしも縮尺率は一定ではなく、その代わりに本発明の実施形態を例示することが強調されている。
【００１８】
本発明は一般に、ビトリファイド超砥粒製品、それらの前駆体、およびそれらの製造方法に関する。
【００１９】
「超砥粒」は、その用語が本明細書で用いられる場合、ヌープ硬度尺度で測定して、少なくとも立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）の硬度、すなわち、少なくとも４，７００のＫ１００の硬度を有する砥粒を意味する。立方晶窒化ホウ素に加えて、超砥粒材料の他の例には、天然および合成のダイヤモンドが含まれる。好適なダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素材料は、結晶または多結晶であり得る。好ましくは、超砥粒材料はダイヤモンドである。
【００２０】
超砥粒材料は、「グリット」としても知られている粒子の形態である。本発明の超砥粒粒子成分は、商業的に得ることができるかまたは注文製造され得る。一般に、本発明で用いられる超砥粒は、約０．５マイクロメートル（ミクロン、μｍ）から約６０μｍの範囲の数平均粒径を有する。好ましくは、粒径は、約１μｍから約６０μｍの範囲である。特に好ましい粒径は、１〜２μｍである。「数平均」は、その用語が本明細書で用いられる場合、中央値、すなわち粒子母集団の半分がその値より大きく、半分がその値より低い値を意味する。
【００２１】
１つの実施形態において、超砥粒粒子成分は、超砥粒工具の容積で少なくとも０．１％の量で存在する。別の実施形態において、超砥粒粒子成分は、超砥粒工具の容積で約１％から約２０％、より好ましくは超砥粒工具の容積で約２％から約１０％の範囲の量で存在する。
【００２２】
１つの実施形態において、本発明のビトリファイド超砥粒製品は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ジルコニアおよび酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種のメンバーを含む超砥粒成分を含む。
【００２３】
１つの実施形態において、ビトリファイド超砥粒製品の超砥粒成分はダイヤモンドである。特に好ましい実施形態において、ビトリファイド超砥粒のダイヤモンド対ビトリファイド結合剤成分の容積比は、約３：２から約１：９９の範囲である。
【００２４】
ビトリファイド結合剤成分は、当該技術分野で知られているような、適当なビトリファイド結合剤成分である。適当なビトリファイド結合剤成分の例には、二酸化ケイ素ｌ（ＳｉＯ２）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルカリ酸化物（Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物（ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ）からなる群から選択される少なくとも１種のメンバーが含まれる。
【００２５】
通常、本発明のビトリファイド超砥粒製品は、研削工具の少なくとも一構成要素として構成される。好適な研削工具の例はホイールである。
【００２６】
１つの好ましい実施形態において、ビトリファイド超砥粒製品は、固定砥粒垂直スピンドル（ＦＡＶＳ）である。ＦＡＶＳの例は、図で示される。図で示されるように、工具１０は、軸１４の周りにベース１２を有するホイールとして構成される。ホイールの隆起した周辺部１６は、ベース１２の周辺部の周りの砥粒セグメント１８を支持する。砥粒セグメントは、本発明のビトリファイド超砥粒製品の一実施形態である。通常、ベースは約６インチから約１２インチの範囲の直径を有し、砥粒セグメントの高さは約２ミリメートル（ｍｍ）から約２０ミリメートルの範囲であり、約２ミリメートルから約１０ミリメートルの幅を有する。図を参照して説明されるように、ホイールは、それらの軸の周りの回転よるウェーハ研削に適する。軸の回転に対して反時計周りの方向で、ウェーハは工具によって研削される。図に関して一般に説明されるように、研削ホイールを用いてウェーハを研削する方法は、当該技術分野で知られている。
【００２７】
別の実施形態において、本発明は、ガラス粉末、超砥粒グリット、結合剤および炭化ケイ素を含む超砥粒混合物である。特に好ましい実施形態において、超砥粒グリットはダイヤモンド粒子を含む。一般に、超砥粒グリット対ガラス粉末の容積比は、約３：２から約１：９９の範囲である。適当なガラス粉末の例には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）が含まれる。好ましいガラス粉末、または「フリット」は、例えば、約４５０℃から約８００℃の範囲などの比較的低いガラス転移を有するものである。
【００２８】
適切な結合剤の例には、ポリエチレングリコール、水、ポリエチレングリコールと水の混合物、およびコロイドシリカが含まれる。
【００２９】
１つの実施形態において、ＳｉＣは、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ＆  Ｐｌａｓｔｉｃｓ，  Ｉｎｃ，Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ、ＭＡ製の１２００グリット「３７Ｃ」ＳｉＣである。好ましくは、炭化ケイ素は、混合物中に、混合物のガラス粉末、砥粒グリット、結合剤および炭化ケイ素成分の全量の約０．１から約５容積％の範囲で存在する。
【００３０】
１つの特定の好ましい実施形態において、この超砥粒混合物は、二酸化ケイ素ｌ（ＳｉＯ２）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルカリ酸化物（Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ）およびアルカリ土類酸化物（ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ）からなる群から選択される少なくとも１種のメンバーを含むガラス粉末を含む。超砥粒混合物の砥粒グリットは、約０．５ミクロンから約６０ミクロンの範囲の数平均粒径を有するダイヤモンド粒子を含み、ここで、超砥粒対ガラス粒子の質量比は、約３：２から約１：９９の範囲である。結合剤は、ポリエチレングリコール、水、ポリエチレングリコールと水の混合物、およびコロイドシリカからなる群から選択される少なくとも１種のメンバーを含む。粒子の形態における超砥粒混合物の炭化ケイ素は、約０．１ミクロンから約２０ミクロンの範囲の数平均粒径を有し、ここで、炭化ケイ素は、混合物中、混合物のガラス粉末、砥粒グリット、結合剤および炭化ケイ素成分の全量の約０．１から約５容積パーセントの範囲の量で存在する。１つの実施形態において、この超砥粒混合物は、ビトリファイド超砥粒製品の素地の前駆体である。
【００３１】
本発明のビトリファイド超砥粒製品を形成する方法は、ガラス粉末、超砥粒グリット、結合剤および炭化ケイ素を含む素地を形成する段階を含む。この素地は、大気圧下、および多孔質ビトリファイド超砥粒構造を形成するために十分な温度で焼成される。
【００３２】
ビトリファイド超砥粒製品の形成に用いられるこの素地、すなわち、超砥粒混合物は、本発明の超砥粒混合物または素地の実施形態に関して上記された特徴を有する。本発明の超砥粒混合物は、例えば、当該技術分野で知られているような適当な仕方で混合物の成分を混合することによって形成される。本発明の素地は、当該技術分野で知られているような適当な方法によっても、この混合物から形成され得る。素地は通常、大気下、約６００℃から８２０℃の範囲の温度で約１時間半から約１０時間の範囲の時間焼成される。次いで、焼成された生成物は、適当な方法、例えば、炉の自然冷却によって、冷却させて、それにより本発明の超砥粒製品を形成する。
【００３３】
本発明は、限定的であることが意図されない以下の実施例によってさらに説明される。
【実施例】
【００３４】
本発明の高気孔率ビトリファイドダイヤモンド超砥粒構造は、超砥粒粒子、ガラスフリット、結合剤および炭化ケイ素粉末の混合物を焼成させることによって製造される。砥粒粒子、ガラスフリットおよび炭化ケイ素の混合物を最初に調製し、それに結合剤を添加する。焼成前の容積パーセントでの混合物の組成は、ダイヤモンド１９％、ガラスフリット８０％、ＳｉＣ１％であった。水中ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）溶液を結合剤として用い、これは、上記混合物の１５質量パーセントで用いた。ポリエチレングリコールは、Ｕｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ＵＳＡから購入した。グリットサイズ１〜２ミクロンのダイヤモンドは、Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ，Ｉｎｃ、ＯＨ、ＵＳＡから入手した。用いたガラスフリットは、以下の酸化物から構成された：Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ、ＳｉＯ２、ＺｎＯおよびＺｒＯ２。
【００３５】
１２００グリットのＳｉＣを用い、これは、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ＆  Ｐｌａｓｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ，ＭＡ  ＵＳＡから入手した。
【００３６】
ＰＥＧを除く混合物の成分すべてをスチール製ボウルに秤量し、上記超砥粒混合物を得た。スチール製スプーンを用いて、目視で均一な混合が得られるまで、この混合物の粉末成分すべてをブレンドした。次いで、このブレンドを、１６５メッシュステンレススチール製メッシュを通して３回ふるいわけした。（一般に、このメッシュサイズは、約４０から約４００メッシュの範囲であり得る。）この混合物に、結合剤を上に特定された量で添加した。この混合物を、すべての結合剤がその中に統合されるまで、再度スプーンでブレンドした。この混合物を、２０メッシュステンレススチール製スクリーンメッシュを用いて１回ふるいわけし、顆粒を得た。（一般に、このメッシュサイズは、約４から約６０メッシュの範囲であり得る（ステンレス）。）これらの顆粒をワックス紙上に延展し、放置して１日間乾燥させた。（一般に、この範囲は、約１時間から約３日間であり得る。）乾燥後、顆粒を、１６メッシュスクリーンを用いてふるいわけした。（一般に、このメッシュ範囲は、約４から約６０メッシュであり得る。）
【００３７】
最終混合物の理論的密度は、混合物中のそれらの比率の情報を用いて計算した。この情報を用いて、直径５インチ（一般にこの範囲は、約１インチから約１０インチであり得る）および高さ０．２００インチ（一般にこの範囲は、約０．１００インチから約５インチであり得る）の円板を作製するために必要とされる顆粒の重量を得た。焼成のための素地を製造するために、乾燥顆粒を秤量し、直径５．００インチのステンレススチール型中に移し、小スチールプレートを用いて平らにした。型一式全体をすぐに冷間静水圧プレス上に移した。１トン／平方インチの圧力をかけて、素地を生成させた。（一般に、この範囲は、約０．１から約１０トン／平方インチであり得る。）
【００３８】
この素地を炉中に移し、以下の焼成スケジュールを適用した：室温から５５０℃まで５℃／分傾斜、５５０℃で６０分間ソーク、７００℃まで５℃／分傾斜、７００℃で２４０分間ソーク、および炉中で自然冷却。炉内雰囲気は空気であった。他の好適な代替の例には、窒素、真空およびアルゴンが含まれる。（また、一般に、温度の範囲は、６００℃から約８２０℃であり得、焼成のための時間は約０．１時間から約１０時間であり得る。）
【００３９】
得られた超砥粒製品は本質的に、２５０μｍを超える直径を有する気孔を本質的にもたなかった。気孔の約８０％は、約１００μｍから２００μｍの範囲の直径を有し、気孔の平均アスペクト比は約１．２未満であった。超砥粒製品の気孔率は、約６２％から約６８％の範囲であると推定された。
【００４０】
他の実施形態において、本質的に気泡は、約８００μｍより大きくなく、または約５００μｍより大きくなかった。さらに、好ましい実施形態において、気泡の約８０％は、約６０μｍから約５００μｍ、または約８０μｍから約３００μｍの範囲の直径を有する。さらに他の実施形態において、約８０％は、約１５０μｍから約２５０μｍ、または約２００μｍから約３００μｍの直径を有する。さらに、好ましい実施形態において、気孔の平均アスペクト比（最大：最小直径）は、約１．５以下、または約１．３以下である。なおさらに、別の実施形態において、気孔率は、約５０％から約９０％、または約６０％から７４％である。
【００４１】
焼成物体は、ドーム形状であった。これは、ディスク形状に粗研磨し、超砥粒ホイールを作製するためのセグメントを容易に切り出した。ｓｐｅｅｄｆａｍｅの両面ラップ装置をラッピング仕上げのために用いた。このラップ装置は、ラッピング仕上げのために２８０／４００グリットＳｉＣを用いた。ウォータージェット切断機を用いて、ラッププレートをセグメントに切断した。これらのセグメントを、接着剤を用いて５インチホイール上に取り付けて、本発明の超砥粒ホイールを作製した。次いで、第２のホイールを同じ仕様に作製した。
【００４２】
これらのホイールを裏面研削機（Ｄｉｓｃｏ８４０機械）上で試験した。ホイールは、極精密パッドを用いてドレッシングした。ホイールを用いて、８インチシリコンウェーハを研削した。シリコンウェーハは、粗ホイール、続けて精密ホイールで粗研削した−上記同じ仕様。３種類の異なる漸増供給速度を用いて、研削性能を評価した。すべての供給速度を表に記載する。
【００４３】
【表１】
0005539339.tif 000002
【００４４】
ホイールは両方とも、すべての供給速度で同程度の範囲で電流が流れた。第１および第２の試験中に、それぞれ、２５個のウェーハおよび７５個のウェーハを研削した。
【００４５】
均等物
本発明を、特に、その好ましい実施形態に関して示し説明してきたが、形態および詳細における様々な変化が、添付の特許請求の範囲で包含される本発明の範囲から逸脱することなくそこでなされ得ることが当業者によって理解される。
【図１】
0005539339.tif 000003