(57)【要約】【課題】直接研磨による簡便なプロセスで多結晶ダイヤモンドの表面を平滑化できる砥石を提供すること。【解決手段】金属、樹脂、又はセラミックスを母材とし、母材の内部および表面にダイヤモンド粒子８が分散して存在する砥石２において、母材の内部および表面に鉄粉粒子９が分散して存在し、ダイヤモンド粒子８の粒径が、２μｍ以上６μｍ以下であり、鉄粉粒子９の粒径が、ダイヤモンド粒子８の粒径と比較して同径又は小径である。また、砥石２の全体積に占めるダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９の体積の比率に比例する値であって、体積比率２５％に対して値１００で示される集中度に基づいて、ダイヤモンド粒子８の集中度を、１０以上１００以下とし、鉄粉粒子９の集中度を、５以上５０以下とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属、樹脂、又はセラミックスを母材とし、前記母材の内部および表面にダイヤモンド粒子が分散して存在する砥石であって、
前記母材の内部および表面に鉄粉粒子が分散して存在し、
前記ダイヤモンド粒子の粒径が、２μｍ以上６μｍ以下であり、
前記鉄粉粒子の粒径が、前記ダイヤモンド粒子の粒径と比較して同径又は小径であり、
前記砥石の全体積に占める前記ダイヤモンド粒子及び鉄粉粒子の体積の比率に比例する値であって、体積比率２５％に対して値１００で示される集中度に基づいて、
前記ダイヤモンド粒子の集中度が、１０以上１００以下であり、
前記鉄粉粒子の集中度が、５以上５０以下であることを特徴とする砥石。
【請求項２】
前記鉄粉粒子の粒径が、１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の砥石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用の砥石に関し、特に、多結晶ダイヤモンドの表面を平滑にするために用いられる多結晶ダイヤモンドの平滑化用砥石に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体を回路基板に圧着するための工具に熱伝導率が非常に高いダイヤモンドが用いられている。また近年では、デバイス特性に優れたダイヤモンド膜を母材とする半導体の開発が進んでいる。
このような電子デバイスの分野で用いられるダイヤモンドには、気相成長法などを用いて生成される多結晶ダイヤモンドが主に用いられる。この多結晶ダイヤモンドを半導体などの微細なパターンを有する電子デバイスに加工するためには、加工対象となる面が非常に平滑でなくてはならない。
【０００３】
しかし、多結晶ダイヤモンドは、文字通り多結晶体であるため、その表面には結晶粒のなす凹凸が存在する。そこで、特許文献１に開示されるように、多結晶ダイヤモンドの表面を平滑化する技術が開発されている。
特許文献１に開示の多結晶ダイヤモンドの平滑化方法は、多結晶ダイヤモンドの結晶粒のなす凹凸面上に、少なくとも前記凹凸が埋まる厚さのグラファイト膜を作製するグラファイト膜作製工程と、酸素ビームを用いてグラファイトおよびダイヤモンドを同時に、少なくともエッチング面の全てにダイヤモンド面が現れるまでエッチングするエッチング工程を組み合わせたことを特徴とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３９３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の多結晶ダイヤモンドの平滑化方法は、複数の工程の組み合わせで多結晶ダイヤモンド膜（以下、単にダイヤモンド膜という）の表面を研磨する技術であり、ダイヤモンド膜の表面を平滑化するための最初の工程として、該ダイヤモンド膜の表面にグラファイト層を形成するといった、いわば前処理を必要とする。しかし、グラファイト層の形成にはプラズマプロセスを活用する必要がある。
【０００６】
周知のとおり、プラズマプロセスは簡便なプロセスではないので、このプラズマプロセスを採用するということは、平滑化の前処理に多大なる時間とコストを費やす工程を実施することになり、生産効率に劣るといわざるを得ない。これに加えて、プラズマプロセスは多結晶ダイヤモンドを高温にさらす工程である。従って、ダイヤモンド膜の温度が大きく上昇することによって、結晶異常や、結晶内へのグラファイト粒子の侵入などが発生し、多結晶ダイヤモンド膜の質が劣化するおそれがある。
【０００７】
そこで本発明は、直接研磨による簡便なプロセスで多結晶ダイヤモンドの表面を平滑化できる砥石を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る砥石は、金属、樹脂、又はセラミックスを母材とし、前記母材の内部および表面にダイヤモンド粒子が分散して存在する砥石であって、前記母材の内部および表面に鉄粉粒子が分散して存在し、前記ダイヤモンド粒子の粒径が、２μｍ以上６μｍ以下であり、前記鉄粉粒子の粒径が、前記ダイヤモンド粒子の粒径と比較して同径又は小径であり、前記砥石の全体積に占める前記ダイヤモンド粒子及び鉄粉粒子の体積の比率に比例する値であって、体積比率２５％に対して値１００で示される集中度に基づいて、前記ダイヤモンド粒子の集中度が、１０以上１００以下であり、前記鉄粉粒子の集中度が、５以上５０以下であることを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記鉄粉粒子の粒径が、１μｍ以上５μｍ以下であるとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による砥石によれば、直接研磨による簡便なプロセスで多結晶ダイヤモンドの表面を平滑化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態によるダイヤモンド研磨装置の概略構成を示す図である。
【図２】ダイヤモンド研磨装置に用いられる砥石の構成を模式化して示す図である。
【図３】従来の砥石を用いた研磨の結果と本実施形態による砥石を用いた研磨の結果をまとめた表を示す図である。
【図４】本実施形態による砥石を用いて研磨したときの研磨面の写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の構成をその具体例のみに限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態の開示内容のみに限定されるものではない。
まず、図１を参照して、本実施形態によるダイヤモンド研磨装置１の構成を説明し、その後にダイヤモンド研磨装置１に用いられる砥石２の構成を説明する。図１は、ダイヤモンド研磨装置１の概略構成を示す図である。
【００１３】
ダイヤモンド研磨装置１は、例えば、多結晶ダイヤモンドの薄膜であるダイヤモンド膜３の表面を研磨して平滑化するものであって、円板状の台座４と、台座４に設けられた砥石２と、台座４を支持する回転軸（スピンドル）５と、研磨対象であるダイヤモンド膜を保持するホルダ６とを有している。
円板状の台座４は、対向する２つの円形の平面（円形平面）を有している。砥石２は、台座４の２つの円形平面のうち、一方（表面）の円形平面の周縁に沿って設けられている。その上で、スピンドル５は、台座４の２つの円形平面のうち、砥石２が設けられていない他方（裏面）の平面を台座４の軸心Ａの位置で支持して台座４を軸心Ａの周りに回転させる。ホルダ６は、保持するダイヤモンド膜３を、回転する台座４に設けられた砥石２に所定の圧力で押し付ける。このとき、ダイヤモンド膜３に対する砥石２の移動速度を研磨速度という。
【００１４】
ホルダ６に保持され砥石２に押しつけられたダイヤモンド膜３の表面は、台座４の回転によって回転する砥石２との摩擦によって研磨され平滑化される。このときホルダ６は、内部に熱電対７を有しており、熱電対７の熱起電力に基づいて、保持するダイヤモンド膜３の温度を監視することができる。ダイヤモンド膜３の温度を監視しつつ、砥石２の回転速度やダイヤモンド膜３を砥石２に押し付ける圧力を調整することで、ダイヤモンド膜３の温度を狙いの温度に保つことができる。
【００１５】
以下に、砥石２の詳細な構成を説明する。
図２に示すように、砥石２は、金属、樹脂、又はセラミックスを母材として、母材の内部および表面にダイヤモンド粒子８が分散して存在し、さらに母材の内部および表面に鉄粉粒子９が分散して存在する砥石である。この砥石２は、例えば台座４とほぼ同径の円板状、又は薄い円板の中央部分を抜いた円環状（いわゆるドーナツ状）の外形を有し、台座４の円形平面上で同心状となる位置に該平面の周縁に沿って設けられる。
【００１６】
砥石２の母材は、例えば、ビトリファイドなどのセラミック質のボンドであり、焼結によって硬化する材料である。母材は、後述するダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９を混合して分散させることで、ダイヤモンド粒子８と鉄粉粒子９を所望の密度（後述する集中度）で保持するバインダ（いわゆる、つなぎ）となる。このダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９が分散された母材を上述の円板状や円環状に成形して焼結することで、セラミックの母材からなる砥石２が得られる。
【００１７】
このような母材としては、セラミック質のボンド以外に、金属質のメタルボンドや樹脂で作られたレジンボンドを用いてもよい。金属質のメタルボンドを用いれば金属の母材からなる砥石２が得られ、樹脂で作られたレジンボンドを用いれば樹脂の母材からなる砥石２が得られる。
ダイヤモンド粒子８は、例えば多結晶ダイヤモンドなどの工業用ダイヤモンドであって、所定範囲の粒径を有する粒子である。本実施形態では、粒径が２μｍ以上６μｍ以下の範囲にあるダイヤモンド粒子８を用いる。
【００１８】
粒径の範囲を２μｍ以上６μｍ以下とした根拠は、次の通りである。本実施形態では、研磨後のダイヤモンド膜３の表面粗さの目標を、例えば日本工業規格（JIS B 0601:2001）に則った０.１μｍＲｚ以下とする。０.１μｍＲｚ以下の表面粗さを実現するにあたって、目標とする表面粗さから大きくかけ離れた大径のダイヤモンド粒子はふさわしくない。そこで、本願の発明者は、１０μｍ以上の粒径では０.１μｍＲｚ以下の表面粗さを実現できないことを実験を通して知見した。しかし、１０μｍをわずかに下回っただけでは、０.１μｍＲｚ以下の表面粗さを必ずしも実現することはできない。そこで、本発明者は、さらに検討を重ねて、ダイヤモンド粒子８の粒径を２μｍ以上６μｍ以下の範囲が適切であることを見いだした。
【００１９】
この範囲の粒径であれば、ダイヤモンド膜３を砥石２に押し付ける押圧力や、ダイヤモンド膜３が砥石２の上を移動する速度である研磨速度など、ダイヤモンド研磨装置１が実現できる研磨条件内でダイヤモンド膜３の研磨面の温度を６００度（℃）程度に保つことができる。ダイヤモンド膜３は、およそ６００℃でグラファイゼーション（黒鉛化）して剥離し易くなるので、ダイヤモンド膜３の研磨面の温度を６００度（℃）程度に保つことは、ダイヤモンド膜３表面の平滑度の向上、つまり表面粗さの低下に貢献すると考えられる。ダイヤモンド粒子８の粒径が２μｍ未満であると、ダイヤモンド膜３と砥石２の間の摩擦が小さくなること、および粒子間のスペースが非常に小さくなり目詰まりを起こすことで研磨ができないことが想定され、ダイヤモンド研磨装置１が実現する研磨条件では、ダイヤモンド膜８の研磨面を６００度（℃）程度に保つことが困難になる可能性がある。そこで、ダイヤモンド粒子８の粒径の下限を２μｍとした。
【００２０】
鉄粉粒子９は、純鉄や鋼、乃至は鉄を含む合金及びからなる、一般に鉄粉と呼ばれる粉末粒子である。鉄粉粒子９は、ダイヤモンド粒子８の粒径と比較して同径又は小径の粒径を有する粒子であり、本実施形態では、粒径が１μｍ以上５μｍ以下の範囲にある鉄粉粒子９を用いる。
砥石２に鉄粉粒子９を加える理由は次の通りである。ダイヤモンド膜３の成分である炭素（Ｃ）は、鉄中に拡散し易い性質を有しているので、砥石２に加えられた鉄粉粒子９がダイヤモンド膜３と接触することによって、ダイヤモンド膜３の炭素成分が鉄粉粒子の鉄中に拡散する。上述したダイヤモンド膜３のグラファイゼーションと合わせて、鉄粉粒子９がダイヤモンド膜３の炭素成分を吸収する現象を利用することで、ダイヤモンド膜３をさらに平滑に研磨することを目的としている。
【００２１】
鉄粉粒子９の粒径の範囲を１μｍ以上５μｍ以下とした根拠は、次の通りである。まず、鉄粉粒子９の粒径がダイヤモンド粒子８の粒径よりも大きいと、ダイヤモンド粒子８によるダイヤモンド膜３の研磨を妨げる可能性がある。そこで、鉄粉粒子９の粒径をダイヤモンド粒子８の粒径未満として、鉄粉粒子９の粒径の上限を、ダイヤモンド粒子８の粒径の上限である６μｍよりも若干小さな５μｍとした。
【００２２】
また、ダイヤモンド粒子８の場合と同じく、粒径が小さくなりすぎると、ダイヤモンド膜３と砥石２の間の摩擦が小さくなり、ダイヤモンド膜３の研磨面を６００度（℃）程度に保つことが困難になる可能性がある。そこで、鉄粉粒子９の粒径の下限を、ダイヤモンド粒子８の下限である２μｍよりも若干小さくしただけの１μｍとした。
上述のダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９を所望の密度で母材に混合すると述べたが、本実施形態では、この密度を表現する指標に「集中度」を用いる。
【００２３】
集中度とは、ダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９を含有する砥石２の全体積に占めるダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９の体積の比率（体積比率）に比例する値であって、体積比率２５％に対して値１００で示される値である。具体的には、砥石２の全体積中に占めるダイヤモンド粒子８の体積比率が２５％であれば、ダイヤモンド粒子８の集中度は値１００で示される。集中度は体積比率に比例するので、ダイヤモンド粒子８の体積比率が５％であれば、ダイヤモンド粒子８の集中度は値２０で示される。鉄粉粒子９についても、
砥石２の全体積中に占める体積比率を集中度を用いて示すことができる。
【００２４】
本実施形態による砥石２は、このような指標である集中度を用いて、ダイヤモンド粒子８の集中度が１０以上１００以下となり、鉄粉粒子９の集中度が５以上５０以下となるように、ダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９を含む。
ダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９の集中度を上記のように規定した理由は以下のとおりである。ダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９の集中度を１００より大きくすると、砥石内の体積比で半分以上が砥粒（ダイヤモンド粒子８，鉄粉粒子９）となり、その際、砥粒と砥粒が接触する確率が高くなって砥石としての結合力が低下し、加工中に砥石が破損する確率が高くなる。そこで、ダイヤモンド粒子８及び鉄粉粒子９の集中度を１００以下とする。
【００２５】
また、ダイヤモンド粒子８の集中度を１０以上としたのは、砥石として機能するに最低限必要な砥粒数を確保するためである。つまり、ダイヤモンド粒子８の集中度が１０未満となると、加工に作用する砥粒が少なくなって加工できないだけでなく、砥粒のない部分は砥石母材であるので、その母材と加工物（ダイヤモンド膜）とが接触し、目詰まりや砥石破損の原因となるからである。
【００２６】
鉄粉粒子９の集中度については、上述のダイヤモンド粒子８の集中度を前提として、上述の鉄粉粒子９に望まれる効果が効率的に発揮される値の上限が５０であり、且つ下限が５であることを、本願の発明者は既に確かめている。
【実施例】
【００２７】
上述の実施形態で説明したダイヤモンド研磨装置及び砥石を用いて実施したダイヤモンド膜の研磨についての実施例を説明する。図３及び図４を参照して、その研磨の結果について説明する。
図３は、砥石Ｃとして示す従来の砥石を用いた研磨の結果と、砥石Ｐとして示す上述の実施形態による砥石を用いた研磨の結果をまとめた表を示す。図４は、本実施例の砥石Ｐを用いて研磨したときの研磨面の写真を示す。
【００２８】
研磨条件は、以下の通りであり、日本工業規格（JIS B 0601:2001）に則った表面粗さに基づいてダイヤモンド膜の研磨結果を評価した。
従来の砥石（砥石Ｃ）について、母材は金属、樹脂もしくはセラミックスであり、ダイヤモンド粒子の粒径は１μｍ〜１００μｍであった。ダイヤモンド粒子の集中度は２５であった。
【００２９】
本実施例による砥石（砥石Ｐ）について、母材は金属であり、ダイヤモンド粒子の粒径は２μｍ〜６μｍであり、鉄粉粒子の粒径は１μｍ〜５μｍであった。ダイヤモンド粒子の集中度はであり、鉄粉粒子の集中度は３５であった。
研磨対象である試料として、ＣＶＤにより形成された多結晶ダイヤモンドを、１０ｍｍ×１０ｍｍの面積及び１２μｍの厚みを有するチップに加工したダイヤモンド膜を用いた。このダイヤモンド膜の研磨前の表面粗さは３〜７μｍＲｚであった。
【００３０】
ダイヤモンド研磨装置に上述の従来の砥石及び本実施例の砥石を取り付けて、それぞれの砥石について、毎分３１４ｍ（３１４ｍ/ｍｉｎ）、毎分６２８ｍ（６２８ｍ/ｍｉｎ）、毎分１５７０ｍ（１５７０ｍ/ｍｉｎ）の３つの異なる研磨速度での３通りの研磨結果を得た。
その研磨結果は、図３の表に示す通りであり、本実施例による砥石（砥石Ｐ）を用いて研磨速度１５７０ｍ/ｍｉｎで研磨したときにダイヤモンド膜の表面粗さは０.１μｍＲｚ以下となった。この結果は、従来の砥石（砥石Ｃ）に対して、本実施例による砥石（砥石Ｐ）が鉄粉粒子を含むことに起因すると考えられる。
【００３１】
図４は、各研磨速度における本実施例による砥石（砥石Ｐ）を用いたときの研磨面の電子顕微鏡写真であり、図４（ａ）に示す研磨速度３１４ｍ/ｍｉｎの写真、図４（ｂ）に示す研磨速度６２８ｍ/ｍｉｎの写真と比べて、図４（ｃ）に示す研磨速度１５７０ｍ/ｍｉｎの写真では、明らかに研磨面が平滑になっていることが視覚によっても確認できる。
以上述べたように、本発明による砥石を用いることで、直接研磨による簡便なプロセスで多結晶ダイヤモンドの表面を平滑化することが可能となる。
【００３２】
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００３３】
１    ダイヤモンド研磨装置
２    砥石
３    ダイヤモンド膜
４    台座
５    スピンドル
６    ホルダ
７    熱電対
８    ダイヤモンド粒子
９    鉄粉粒子
Ａ    軸心
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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