(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性のフェノール樹脂を揮発性の溶媒に溶解した液中に粒径が数ｎｍ〜数１０ｎｍの超微粉シリカを加えてスラリー状にし、攪拌して均一に混合する工程と、
該混合液体から揮発性成分を飛ばして乾燥させる工程と、
乾燥物を粉砕して、超微粉シリカがフェノール樹脂によりコーティングされた粉末状の成形材料を形成する工程と、
真空状にした容器内で前記成形材料を金型により所要形状にプレス成形する工程と、
得られた成形体を焼成してフェノール樹脂を硬化させる工程と
を具備することを特徴とする超微粉シリカ砥石の製造方法。
【請求項２】
金型から成形体を取り出す際に成形体に与圧をかけながら取り出すことを特徴とする請求項１記載の超微粉シリカ砥石の製造方法。
【請求項３】
前記成形材料をプレス成形する際の成形圧力が５０〜６０００kgf/cm2 であることを特徴とする請求項１または２項記載の超微粉シリカ砥石の製造方法。
【請求項４】
超微粉シリカに対する熱硬化性のフェノール樹脂の割合が１〜９９vol ％であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の超微粉シリカ砥石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は超微粉シリカ砥石の製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体ウェハーは高度の鏡面仕上げ精度が要求される。
ナノメーターオーダーの仕上げ面粗さを得るためには、微細な砥粒からなる砥石を用いて研削を行うことが有効な手段である。
これを実現するために微細砥粒をフェノール樹脂などの樹脂バインダーで固定した砥石の開発が行われているが、砥粒径が数〜数１０ｎｍの超微粉（超微粒子粉末）を用いた砥石の製作はいまだ問題点が多く実現していない。
【０００３】
超微粉の砥粒を用いた砥石が実現しない理由としては以下の原因があげられる。
▲１▼超微粒子粉末が有する特徴の１つである粒子の凝集・集塊のため、バインダと十分に、また均一に混合・混練ができない。
▲２▼比表面積もしくは見掛比重（ｇ／ｌ）が大きいため、砥石の成形中に入った空気が成形完了後に取り出す際、膨張してクラックが発生しやすい。
▲３▼また仮に成形できたとしても、微細なクラックあるいは欠陥が内在するために加工時に、粒子が凝集・集塊している部分からクラックが発生しやすい。
▲４▼さらに上記の問題が解決できたとしても、砥粒の密度が高いために砥石が目づまりして長時間の加工ができない。
この目づまりを解決する方法として連続ドレッシングなどによる強制発刃法もあるが、あらかじめ砥粒が自生発刃するように砥石を製作できればより効果的である。
【０００４】
そこで本発明の目的とするところは、クラックの発生を極力防止でき、かつ砥粒の自生作用を活発に発現させつつ、加工生成物の逃げ場を増やし目づまりを未然に防ぐ、高い空孔率をもった超微粉シリカ砥石の効果的な製造方法を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため次の構成を備える。すなわち、本発明に係る超微粉シリカ砥石の製造方法は、熱硬化性のフェノール樹脂を揮発性の溶媒に溶解した液中に粒径が数ｎｍ〜数１０ｎｍの超微粉シリカを加えてスラリー状にし、攪拌して均一に混合する工程と、該混合液体から揮発性成分を飛ばして乾燥させる工程と、乾燥物を粉砕して、超微粉シリカがフェノール樹脂によりコーティングされた粉末状の成形材料を形成する工程と、真空状にした容器内で前記成形材料を金型により所要形状にプレス成形する工程と、得られた成形体を焼成してフェノール樹脂を硬化させる工程とを具備することを特徴としている。
金型から成形体を取り出す際に成形体に与圧をかけながら取り出すようにすると成形体にクラックが発生せず、好適である。
前記成形材料をプレス成形する際の成形圧力を５０〜６０００kgf/cm2 に設定すると好適である。
超微粉シリカに対する熱硬化性のフェノール樹脂の割合を１〜９９vol ％にすると好適である。
【０００６】
【作用】
本発明方法では、熱硬化性のフェノール樹脂を揮発性の溶媒に溶解した液中に粒径が数ｎｍ〜数１０ｎｍの超微粉シリカを加えてスラリー状にして、攪拌して均一に混合し、該混合液体から揮発性成分を飛ばして乾燥させ、乾燥物を粉砕して、超微粉シリカがフェノール樹脂によりコーティングされた粉末状の成形材料を得るようにしているので、超微粉シリカであっても、粒子の凝集・集塊を防止して、バインダーとの均一な混合ができる。
また、成形材料を真空容器中で金型によりプレス成形することによって、クラックや割れを発生させることなく所要形状の砥石に成形できる。特に、金型から成形体を取り出す際、成形体に与圧をかけながら取り出すようにすることでクラックの発生を可及的に少なくできる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
本実施例で用いた超微粉（超微粒子粉末）シリカは、気相法、特に火炎加水分解法により生成されたものであり、現在工業規格に基づいて製造されているシリカ（ＳｉＯ２）の中では最も小さい粒子径をもつ高純度の無水シリカ（アエロジル：日本アエロジル株式会社製）のものである。表１は用いた砥粒の種類と仕様を示す。
粒径４０ｎｍ（Ｎｏ．ＯＸ５０）、１６ｎｍ（Ｎｏ．１３０）、７ｎｍ（Ｎｏ．３８０）という粒径４０ｎｍ以下の極めて微細な粒子であることがわかる。これら粒子はほぼ球形の１次粒子がふわふわした編目構造を形成し、実際には単独粒子状態では存在しない。ただし、粒径４０ｎｍの場合は例外で、独立した球形の１次粒子がはっきりと見える。
【０００８】
一方バインダは、以下の理由で熱硬化性フェノール樹脂を選定した。
▲１▼加工途中、水（研削液）に溶けて砥石の形状が崩れない。
▲２▼砥粒とバインダを混合し成形した後、熱を加えて硬化できる。
表２は用いたバインダであるＰＲ−５０６９６熱硬化性フェノール樹脂（住友デュレス株式会社製）の仕様を示す。揮発成分が５１．７ｖｏｌ  ％、１６５  ℃で６３秒経過後ゲル化する液体状態のものである。
【０００９】
超微粉シリカ砥石の製作ができなかった原因の中で、粒子の凝集・集塊などによるバインダとの不均一な混合を解決しなければならない。そこで、凝集している粒子にできる限り分散性を与えた液体状態で混合することに着目した。
すなわち、図１に示すように、熱硬化性のフェノール樹脂〔各１８ｇ（１３．８ｖｏｌ  ％）  、４０ｇ（２６．２ｖｏｌ  ％）  、８０ｇ（４１．５ｖｏｌ  ％）  、１２４ｇ（５２．４ｖｏｌ％）  、２０７ｇ（６４．７ｖｏｌ％）  〕を大量の揮発性溶媒（例えばエチルアルコール）（１２００  ｇ）で溶かしたうえ超微粉シリカ粉末１００ｇを加え、スラリー状にした。その後スクリューで約１０分間攪拌してバインダとシリカ粒子が均一になるように混合した。
その際、異物などが混入しないように十分注意した。
【００１０】
その後、超微粉シリカ、フェノール樹脂、エチルアルコールの混合液体状態から揮発成分を飛ばして無くすため、真空乾燥機により５０℃、２時間程度乾燥させた。乾燥された混合粉末は、ふわふわした混合前のシリカ粉末とは全く異なり、かさかさとした状態で軽く固まっている。これを乳鉢の中で粉砕して粉末状にした。
フェノール樹脂はシリカ粒子の周囲にほぼ均一にコーティングされた状態となっている。このようにして成形材料を調整できた。
【００１１】
図２は成形装置１０の概要を示す。
１２は本体容器であり、内部状態が外部から見えるように透明なアクリル樹脂等で形成すると好適である。本体容器１２下面側は底板１４により取り外し自在に密閉される。１６はＯリングである。また１８はプレス装置のロッド２０により押圧されて本体容器１２内を移動可能な可動盤である。可動盤１８はロッド２０下端に固定してもよい。１９はＯリングである。
２１は超硬合金からなる金型であり、ダイス２２、下パンチ２８、上パンチ３０を有する。ダイス２２には上下方向に貫通する貫通孔２４が形成され、底板１４上に配置されたスプリング２６上にバランスをとって載置可能になっている。
下パンチ２８は底板１４上に配置され、上部が貫通孔２４に下方から摺入している。上パンチ３０は下部が貫通孔２４に上方から嵌入する。上パンチ３０は可動盤１８下面に固定しておいてもよい。下パンチ２８上端面と上パンチ３０下端面との間にキャビティ３２が形成される。
【００１２】
底板１４には本体容器１２と外部とを連通する吸引孔３４が設けられており、該吸引孔３４にはホースを介して図示しない真空ポンプが接続されて、本体容器１２内の空気を排除することにより本体容器１２内を真空状態にできる。
上パンチ３０は成形品をダイス２２から突き出すためにダイス２２の高さよりも長い寸法に形成されている。
図３は与圧装置３６を示す。
この与圧装置３６は、成形後、本体容器１２から取り出され、上パンチ３０が下側にくるようにして適宜な台上に載置された金型２１のダイス２２上面側に当接する複数本の押圧ロッド３８と、押圧ロッド３８上端側を連結する押圧板４０と、押圧板４０下面と下パンチ２８との間に配置される与圧スプリング４２を有する。４４はショックアブソーバである。
【００１３】
上記成形装置１０を用いて次のように砥石の成形を行うことができる。
まず成形装置１０において、可動盤１８と上パンチ３０とは成形装置から外されている。上記のようにしてバインダと超微粉シリカとが混合され、粉末状に調整された成形材料を、開放されたキャビティ３２内に所定量入れる。
次に上パンチ３０を貫通孔２４に挿入した後、できる限り上パンチ３０の上面に近い位置まで可動盤１８を移動して本体容器１２を密閉する。その後真空ポンプで引いて本体容器１２内を真空状態とし、次いでプレス装置により可動盤１８、上パンチ３０を介して成形材料を加圧し、成形する。成形材料中の空気は真空ポンプにより吸引されているから成形材料中に空気が巻き込まれることなく成形される。
【００１４】
成形完了後、金型２１を本体容器１２内から取り出す。取り出した金型２１は上パンチ３０が下にくるように適宜な台上に載置し、図３に示すように、与圧装置３６をセットする。押圧板４０に適宜な加圧装置により荷重を加え、押圧板４０を押す。これにより押圧ロッド３８を介してダイス２２が下方に押され、成形体４６は上パンチ３０により突き出されてくる。その際成形体４６には与圧スプリング４２により圧力が加わる。すなわち与圧をかけながら成形体４６をダイス２２から取り出すのである。
このように与圧をかけながら取り出すことにより、欠けのない良好な成形品が得られた。なお、与圧をかけないで成形体４６を上パンチ３０により突き出すと、成形体４６が貫通孔２４から抜け出るときに貫通孔２４から抜け出る側が急に圧力フリー状態となることから、成形体４６に割れ、欠けなどが生じた。
得られた成形体４６を真空乾燥器を用い１８０  ℃、約１時間焼成してフェノール樹脂を硬化させて砥石を得た。
【００１５】
上記成形装置１０で真空に引きながら、５００Ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧成形した場合の各成形体の密度の差異を図４に示す。
混合粉末の真比重は、超微細シリカ粉末にフェノール樹脂を加える割合により表３に示すように、もとのシリカ粉末のみの真比重とは異なる値を有する。空孔率は次式により計算される。
（１）  シリカ粉末のみの空孔率＝（シリカ粉末の真比重−成形体の密度）／シリカ粉末の真比重
（２）  混合シリカ粉末の空孔率＝（混合シリカ粉末の真比重−成形体の密度）／混合シリカ粉末の真比重
上記の式に基づいて計算した混合シリカ粉末の空孔率を図５に示した。
【００１６】
図４、図５から以下のことが確認、もしくは推測される。
▲１▼混合シリカ粉末は、混合前の粉末と比べてややバラツキはあるが、全体的に密度および空孔率ともに低い傾向を示す。これはバインダとして用いたフェノール樹脂の真比重が１ｇ／ｃｍ３  程度で、比較的低いためであると思われる。
▲２▼空孔率の算出については混合前のシリカ粉末の場合、真比重が２．２ｇ／ｃｍ３であったが、フェノール樹脂の体積割合が多くなるほど、混合シリカ粉末の真比重は低くなり、フェノール樹脂の体積割合が４１．５ｖｏｌ  ％の場合には１．７９ｇ／ｃｍ３  まで下がる。
▲３▼しかし混合前のシリカ粉末は、嵩比重が約６０ｇ／ｌ  という非常にふわふわとした状態となっているため、フェノール樹脂の体積割合が増加することによって混合シリカ粉末の嵩比重は高くなると考えられる。また、結合度も高くなり、成形体の密度が高くなると予測される。
▲４▼粒径が大きくなるほど比表面積が小さくなるため密度は高くなるが、粒径がより小さい７ｎｍ、１６ｎｍの場合は、各者とも大差はなかった。しかし、比較的粒径が大きい４０ｎｍの場合、密度が１ｇ／ｃｍ３  程度まで高くなった。
▲５▼混合シリカ粉末の空孔率は、成形体の密度特性とは反対の傾向を有する。
すなわち、フェノール樹脂の体積割合が増加するほど、粒径が大きくなるほど、空孔率は低くなるが、全体的に５０ｖｏｌ  ％前後を維持している。
【００１７】
次に、図６は、粒径４０ｎｍの超微細シリカ粉末Ｎｏ．ＯＸ５０  に各割合でフェノール樹脂をコーティングした場合の、成形圧力に対する空孔率特性を示す。バインダをコーティングしないものと比較して成形圧力の増加、バインダ量の増加に応じて空孔が少なくなっている。空孔率の分布は１０〜７０ｖｏｌ  ％という非常に広い範囲にわたっている。
図７に、砥粒の集中度と砥粒率を空孔率から換算して示す。砥石の空孔率および集中度特性より、バインダの多いものは、成形圧力に応じ空孔を少なくすることは可能であるが、その分集中度の増加割合は少ないものとなっている。
バインダ量１３．８ｖｏｌ  ％の場合、成形圧力が１０００ｋｇｆ／ｃｍ３  を越える領域ではバインダをコーティングしないものより砥粒の集中度がわずかに上回っている。
【００１８】
図８に砥石の硬さをマイクロビッカース硬度計により、荷重２００ｇで測定した結果を示す。砥石の硬さ、すなわち結合度は、成形圧力に応じてＨｖ５〜２８の間に自由にコントロールできた。成形圧力が５００ｋｇｆ／ｃｍ２の低い場合では、バインダ量が３０ｖｏｌ  ％を越える範囲で硬さが逆に減少している。
これらに示すように、成形体（砥石）はバインダ量および成形圧力を調整することにより所望の集中度、空孔率および結合度の砥石を製作できるという特徴をもつ。ちなみに、粒径４０ｎｍのシリカ粒子（ＯＸ５０）  の場合、バインダがコーティングしてあれば、真空中ではなくても通常のプレス成形法で砥石が成形できた。
【００１９】
次に超微粉シリカ砥石を製作し、成形条件と砥石の研削特性を調べた。
砥粒は平均粒径４０ｎｍという比較的粗いＮｏ．ＯＸ５０  にフェノール樹脂を加えて混合した後、成形・焼成したものを用い、砥石外径１５０  ｍｍ、幅１０ｍｍのカップ型のものを作成し、加工前において砥石の形状精度を向上させるため、粒度＃１２００のダイヤモンド砥石でツルーイングを行った。超微粉シリカ砥石の鏡面研削への適用は、まずインフィールド研削として粒径にほぼ制限をもたない定圧切込研削に近い方式により行った。被加工物であるシリコンウェハの鏡面状態を加工中でも確認できるよう、片面ラップ盤（ラポテスターＭＧ７７３Ｂ型、株式会社マルトー製）の定盤に被削材を、ワーク軸に砥石を取り付けたあと両方とも回転させた。この際、砥石は常に被削材に一定の圧力をかけながら、左右にオシレート運動をする。被削材は直径３〜６インチ生シリコンウェハを粒度＃１２００のダイヤモンド砥石により、機上で平面出し後、鏡面加工を施した。
【００２０】
シリコンウェハの鏡面研削特性として、面粗さについては非接触式表面粗さ計（ＷＹＫＯ：ＴＯＰＯ−２Ｄ、ＷＹＫＯ社製）で、評価長さ３２４  μｍ、波長６４７．７  ｎｍにより測定を行い、研削比については３点指示マイクロメータで評価を行った。超微粉砥石による鏡面研削では、チップポケットが少なく目づまりが生じ易い。そこでこのような目詰まりが起こらないようにするため、チップポケット数を増加させて、できる限り多孔質状態のものを適用した。
図９に比較的高い空孔率である４５〜５５ｖｏｌ  ％の範囲にある砥石により得られた仕上げ面粗さと研削比を示す。空孔率が高くなるほど仕上げ面粗さは向上するが、空孔率５０ｖｏｌ  ％以上では大きな変化はなくＲａ１ｎｍ程度を維持した。
また空孔率５０ｖｏｌ  ％前後までは研削比が１に近づくが、それ以上高くすると徐々に減少した。これは空孔率をある程度高くすることで、加工による反応生成物の除去が容易になった状態と考えられ、ほぼ同一な結合度の場合、砥粒の集中度の高い方が除去能率も高く、加工面粗さも向上させる効果が生ずるものと思われる。
【００２１】
図１０は、本実施例の超微粉シリカ砥石の結合度が鏡面研削特性に及ぼす影響を示す。比較的高い空孔率と砥粒集中度を有すると予想されるバインダの体積割合７  〜１９ｖｏｌ  ％範囲では、結合度が低くなるほど加工面粗さと研削比が高くなった。この範囲より高い結合度のシリカ砥石を適用してみたが、硬く目づまりが生じ、長時間の加工が困難であった。したがって本実施例の超微粉シリカ砥石は高空孔率・高集中度・低結合度の方が、シリコンウェハの鏡面研削特性がより好適なものになると言える。
【００２２】
【表１】
0003605192.tif 000002
【００２３】
【表２】
0003605192.tif 000003
【００２４】
【表３】
0003605192.tif 000004
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、熱硬化性のフェノール樹脂を揮発性の溶媒に溶解した液中に粒径が数ｎｍ〜数１０ｎｍの超微粉シリカを加えてスラリー状にして、攪拌して均一に混合し、該混合液体から揮発性成分を飛ばして乾燥させ、乾燥物を粉砕して、超微粉シリカがフェノール樹脂によりコーティングされた粉末状の成形材料を得るようにしているので、超微粉シリカであっても、粒子の凝集・集塊を防止して、バインダーとの均一な混合ができる。
また、成形材料を真空容器中で金型によりプレス成形することによって、クラックや割れを発生させることなく所要形状の砥石に成形できる。特に、金型から成形体を取り出す際、成形体に与圧をかけながら取り出すようにすることでクラックの発生を可及的に少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】砥石の製作工程図である。
【図２】成形装置の概略を示す断面図である。
【図３】与圧装置の概略を示す説明図である。
【図４】５００ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧成形した場合の成形体の密度を示すグラフである。
【図５】５００ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧成形した場合の成形体の空孔率を示すグラフである。
【図６】成形圧力に対する空孔率特性を示すグラフである。
【図７】砥粒の集中度と砥粒率を示すグラフである。
【図８】砥石の結合度（硬さ）を示すグラフである。
【図９】仕上げ面粗さと研削比を示すグラフである。
【図１０】砥石の結合度が鏡面研削特性に及ぼす影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  成形装置
１２  本体容器
１４  底板
１８  可動盤
２１  金型
２２  ダイス
２４  貫通孔
２６  スプリング
２８  下パンチ
３０  上パンチ
３２  キャビティ
３６  与圧装置
３８  押圧ロッド
４０  押圧板
４２  与圧スプリング
４６  成形体
【図１】
0003605192.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003605192.tif 000009
【図６】
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【図７】
0003605192.tif 000011
【図８】
0003605192.tif 000012
【図９】
0003605192.tif 000013
【図１０】
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