(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンド部が米糠を焼成したカーボンを含む非金属材のみで構成されているメタルレスボンド砥石（１）と電極（２）との間に導電性研削液（３）を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解ドレッシングしながら被加工物（４）を研削する電解インプロセスドレッシング研削方法であって、
砥石と電極との間に流れる電流を所定の範囲に制御する、ことを特徴とするメタルレスボンド砥石による電解ドレッシング研削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルレスボンド砥石とそれによる電解ドレッシング研削方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鏡面仕上げを必要とする部位への加工手段として最も一般的なものは、ラッピング、ポリッシング等、遊離砥粒を用いた研磨加工である。しかし研磨加工は、（１）通常手作業のため効率が悪い、（２）被加工物へ砥粒が食い込む場合がある、などの問題点がある。そのため、近年では研削に代表される固定砥粒を用いた加工手段が注目を集めている。
一方、ますます細密化する半導体回路の加工などを背景として、位置決めの精度の高い加工機と固定砥粒加工とを組み合わせた超精密研削技術の開発と実用化が求められている。超精密研削では、加工面粗さや形状精度、表面品位などで厳しい仕様を満たさなければならない。
【０００３】
上述した問題点を解決する加工手段として固定砥粒を用いた導電性砥石の表面を電解ドレッシングしながら、砥石でワークを研削加工する電解インプロセスドレッシング研削（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ  Ｉｎ−ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｄｒｅｓｓｉｎｇ  Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）が注目されている。以下、この研削手段をＥＬＩＤ研削と呼ぶ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＥＬＩＤ研削では、電解ドレッシングの実電流は、ドレッシング開始時には比較的高く（例えば約１０Ａ）、一定のドレッシング時間（例えば２０〜３０分間）の経過後には、電解ドレッシングと共に導電性砥石の表面に金属酸化物（不導体被膜）が形成され、この不導体被膜の厚さは研削加工と電解ドレッシングとのバランスでほぼ一定の厚さに保持されるため、電解ドレッシングの実電流が比較的低い一定の値（例えば２Ａ前後）に保持される特性を一般的に示す。この安定状態において、微細砥粒が適切に突出・維持され、通常良好なＥＬＩＤ研削が行われる。従って、ＥＬＩＤ研削において砥石表面の不導体被膜は不可欠であり、これが形成されない限り、安定したＥＬＩＤ研削はできないものと考えられていた。
【０００５】
一方、ＥＬＩＤ研削では、導電性砥石として、砥粒を金属粉で固定したメタルボンド砥石が用いられ、この金属粉（メタル）として、鋳鉄、コバルト、ブロンズ、等が用いられる。しかし、かかる金属粉をバインダに用いた導電性砥石をＥＬＩＤ研削に用いると、砥石の電解ドレッシングの際に重金属イオンが研削液中に溶け出し、これらの重金属イオンを含む廃液により環境が汚染される問題点があった。
【０００６】
また、特に、半導体ウエハの製造分野において、デバイス形成後のデバイスウエハの加工に銅、錫等を含む導電性砥石を用いると、これらの重金属イオンによりデバイス性能が劣化してしまう問題点があった。そのため、デバイスウエハの金属コンタミネーションを防止するためにも、重金属イオンの発生のおそれのない導電性砥石（以下、メタルレスボンド砥石）が求められていた。
【０００７】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、重金属イオンを含む廃液による環境汚染やデバイスウエハの金属コンタミネーションを防止することができ、かつ良好な加工能率で鏡面のような高品位の加工面を得ることができるメタルレスボンド砥石とそれによる電解ドレッシング研削方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、加工面を電解ドレッシングして目立てする電解ドレッシング用の砥石であって、砥粒と、砥粒を保持するボンド部からなり、該ボンド部はカーボンを含む非金属材のみで構成されている、ことを特徴とするメタルレスボンド砥石が提供される。
【０００９】
本発明の構成によれば、電解ドレッシング用の砥石の砥粒を保持するボンド部が、カーボンを含む非金属材のみで構成されている。このカーボンの存在により、ボンド部が導電性となり、電解ドレッシングによりカーボンを遊離して、砥粒の目立てができる。
また、ボンド部に金属材料が全く含まれていないので、このメタルレスボンド砥石を電解ドレッシングしても、重金属イオンを含む廃液が発生せず環境汚染を防止できる。また、カーボン自体はデバイスウエハに悪影響を与えないので、デバイスウエハの金属コンタミネーションを本質的に防止することができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、メタルレスボンド砥石が砥粒、カーボン粉末及びレジン粉末の混合体からなり、レジンの溶融温度よりも低い軟化温度で、加圧・焼成して成形する。
この構成により、レジンを溶融させることなく軟化・加圧・焼成により所望の形状のメタルレスボンド砥石を成形することができる。また、この砥石のボンド部がカーボンとレジンからなり、レジンが弾性を有し砥粒を弾性的に保持するので、多数の砥粒がほぼ均等にワークに作用し、良好な加工能率で鏡面のような高品位の加工面を得ることができる。
【００１１】
このメタルレスボンド砥石のレジンに対するカーボンの配合比率が約２０％以上、約３０％以下であるのがよい。この範囲のカーボン比率において、ほぼ一定の電気抵抗率、抗折強度、およびヤング率となり、電解ドレッシングに適した電気抵抗と、砥粒を保持するための強度と弾性を得ることができる。
【００１２】
砥粒とカーボン含有粉末の混合体からなり、これを焼成してカーボン含有粉末に導電性と機械的強度を付加したメタルレスボンド砥石でもよい。例えば、米糠などの未利用資源を焼成することにより導電性と機械的強度を付加してメタルレスボンド砥石を構成することにより、ボンド部の電気抵抗と機械的特性を最適に調整し、かつボンド部に金属材料が全く含まれないメタルレスボンド砥石とすることができる。
【００１３】
砥粒とレジン粉末の混合体からなり、これを焼成してレジン粉末の少なくとも一部をカーボン化したメタルレスボンド砥石でもよい。例えば、不活性ガス雰囲気で高温に焼成することにより、レジンの一部をカーボン化することができ、これによりボンド部の電気抵抗と機械的特性を調整することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、ボンド部がカーボンを含む非金属材のみで構成されているメタルレスボンド砥石（１）と電極（２）との間に導電性研削液（３）を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解ドレッシングしながら被加工物（４）を研削する電解インプロセスドレッシング研削方法であって、砥石と電極との間に流れる電流を所定の範囲に制御する、ことを特徴とするメタルレスボンド砥石による電解ドレッシング研削方法が提供される。
【００１５】
ボンド部に金属材料が全く含まれないメタルレスボンド砥石では、電解ドレッシングを継続してもその表面に不導体被膜が形成されず、従って、不導体被膜による電解ドレッシングの実電流の調整特性は得られない。しかし、逆に砥石と電極との間に流れる電流は、不導体被膜の影響を受けずにドレッシング初期から常にほぼ一定の値を示すので、この電流を所定の範囲に制御することにより、電解ドレッシングを積極的に制御し、安定したＥＬＩＤ研削ができることが実験により確認された。
【００１６】
更に、本発明によれば、ボンド部がカーボンを含む非金属材のみで構成されているメタルレスボンド砥石（１）と、該メタルレスボンド砥石（１）の加工面から間隔を隔てて位置し少なくともその対向面がカーボン材からなるカーボン電極（２）と、前記砥石と電極の間に重金属イオンを含まない導電性研削液（３）を流す研削液供給手段（６）と、砥石と電極との間に電圧を印加しかつその間に流れる電流を所定の範囲に制御する電解ドレッシング用電源装置（８）とを備えた、ことを特徴とするメタルレスボンド砥石による電解ドレッシング研削装置が提供される。
【００１７】
砥石にメタルレスボンド砥石（１）を用い、電極にカーボン電極（２）を用い、更に重金属イオンを含まない導電性研削液（３）を用いることにより、重金属イオンによる環境汚染やデバイスウエハの金属コンタミネーションを抜本的に防止することができる。
また、電解ドレッシング用電源装置（８）で、砥石と電極との間に電圧を印加しかつその間に流れる電流を所定の範囲に制御することにより、電解ドレッシングを積極的に制御して、良好な加工能率で鏡面のような高品位の加工面を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
近年、様々な分野において環境問題が重要性を増す中、加工の分野においても環境を考慮に入れた加工方法が求められてきており、今後もますますその重要性は増していくものと考えられる。
【００１９】
本発明の発明者等は、研削液中への重金属イオン混入の低減を図り研削液処理を容易とすること、加工ワークの金属の汚染を低減し洗浄処理を容易とすること等を主目的としてカーボンを導電性材料とするＥＬＩＤ研削用メタルレス導電性ボンド砥石（以下、メタルレスボンド砥石）を創案し、その導電性、強度、初期電解ドレッシング特性、加工特性について種々の実験を行った。
以下、本発明の好ましい実施例を試験結果と共に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００２０】
１．メタルレスボンド砥石の製作
（砥石製作条件および実験方法）
図１は、本発明のメタルレスボンド砥石の製造プロセスを示す模式図である。砥石は、図１に示すように砥粒、カーボン（約３０μｍ）、フェノール系レジンを混合し、ホットプレスにより加圧焼結させて製作した。成形圧力は１９．６ｋＰａ、焼結温度は２００℃（４０〜６０分保持）で本発明のメタルレスボンド砥石を製作した。配合比率は、レジンに対するカーボンの配合比率を２、５、１０、２０、３０％として砥石（１０×４×４０、集中度１００）を製作し、電気抵抗率、ヤング率、抗折強度の測定を行った。
【００２１】
（配合比率と諸特性）
図２にカーボンの配合比率と電気抵抗率の関係を示す。カーボンの配合比率が高くなるのに伴い電気抵抗率が低下する傾向を示し、約２０％以上、約３０％以下の配合で約１Ωｍｍのほぼ一定の電気抵抗率となった。
【００２２】
図３には、配合比率と抗折強度とヤング率の関係を示す。配合比率の増加と共に強度が低下する傾向を示した。本砥石の場合、配合比率に関係なくヤング率は約５ＧＰａであった。また、抗折強度は、配合比率が約２０％以上、約３０％以下で、ほぼ一定の１０ＭＰａの強度が得られた。
【００２３】
（試作砥石製作条件）
上述した結果を踏まえ、試作する砥石の条件をレジンに対するカーボンの配合割合を２０％とし，集中度１００、成形圧力１９．６ｋＰａ、焼結温度２００℃、とした。砥粒は＃８０００（平均粒径  約２μｍ）のタイヤモンドを使用し、外径２５０ｍｍ、砥石幅５５ｍｍの円盤状とした。試作した砥石の評価はＥＬＩＤラップ研削で行った。
【００２４】
なお、本発明のメタルレスボンド砥石は、上述した実施例に限定されず、砥粒とカーボン含有粉末の混合体を焼成してカーボン含有粉末に導電性と機械的強度を付加してメタルレスボンド砥石を製造してもよい。例えば、米糠（ぬか）などの未利用資源を焼成することにより導電性と機械的強度を付加してメタルレスボンド砥石を構成することにより、ボンド部の電気抵抗と機械的特性を最適に調整し、かつボンド部に金属材料が全く含まれないメタルレスボンド砥石とすることができる。
【００２５】
さらに、砥粒とレジン粉末の混合体を焼成してレジン粉末の少なくとも一部をカーボン化したメタルレスボンド砥石を製造してもよい。例えば、不活性ガス雰囲気で高温に焼成することにより、レジンの一部をカーボン化することができ、これによりボンド部の電気抵抗と機械的特性を調整することができる。
【００２６】
２．基礎加工特性試験
（実験装置）
図４は、本発明の電解ドレッシング研削装置の構成図である。本実験では、ＥＬＩＤラップ研削システムを用いて本発明の電解ドレッシング研削装置を構成し、メタルレスボンド砥石の基礎加工特性について基礎試験を行った。
【００２７】
本実験で用いたシステムを以下に示す。
（ａ）  加工機：片面ラップ盤（ＭＧ７７３Ｂ）を改良したものを使用した。
（ｂ）  砥石：＃８０００メタルレスボンドダイヤモンド砥石（メタルレスボンド砥石）を用いた。外径２５０ｍｍ、砥石幅５５ｍｍの円盤状で集中度１００（体積比率約１／４）とした。
（ｃ）  研削液：弱導電性研削液（ＣＥＭ）を水道水で５０倍に希釈して用いた。
（ｄ）  電解電源装置：ＥＬＩＤ専用高周波電解電源装置（ＥＤ６３０）を用いた。
（ｅ）  ワーク：単結晶シリコン（φ３０）を用いた。
【００２８】
（加工実験方法）
試作した砥石をＥＬＩＤラップ研削に適用して、単結晶シリコン（φ３０）の加工を行い、加工面粗さについて調査を行った。加工条件は、砥石・ワーク回転数１００ｒｐｍ、加工圧力１００ｋＰａとした。また電解条件は無負荷電圧６０Ｖ、最大電流３０Ａ、パルス給電・休止時間２μｓとした。
【００２９】
（実験結果）
図５に初期電解ドレッシング時の電解時間と実電流値の関係を示す。本発明のメタルレスボンド砥石のボンド材に陽極酸化反応を起こす材料が入っていないため、急激な電流値の減少傾向は観察されなかった。すなわち、砥石と電極との間に流れる電流は、不導体被膜の影響を受けずにドレッシング初期から常にほぼ一定の値を示すので、この電流を所定の範囲に制御することにより、電解ドレッシングを積極的に制御し、安定したＥＬＩＤ研削ができることが実験により確認された。
【００３０】
図６に、メタルレスボンド砥石を用いて単結晶シリコンを加工した場合の加工面粗さのプロファイルを示す。加工面粗さ２８ｎｍＲｙという鏡面が得られた。加工面粗さ２８ｎｍＲｙは、平均面粗さＲａでは１０ｎｍ以下の鏡面に匹敵する。
従ってこの試験により、メタルレスボンド砥石を用いて、安定したＥＬＩＤ研削ができるばかりでなく、鏡面のような高品位の加工面を得ることができることが確認された。
【００３１】
３．メタルボンド砥石との比較試験
ＥＬＩＤ研削用砥石として従来から用いられているメタルボンド砥石と本発明のメタルレスボンド砥石の加工特性の相違について比較試験を実施した。
【００３２】
（実験装置）
本実験では、２．基礎加工特性試験と同一の電解ドレッシング研削装置を用い、研削液、電源、ワークも同じものを用いた。また、砥石は、＃８０００メタルレスボンドダイヤモンド砥石（外形２５０ｍｍ、砥石幅５５ｍｍの円盤状で集中度１００）と、比較として＃８０００メタル−レジンボンドダイヤモンド砥石（メタル７：レジン３、集中度１００）を使用した。
さらに、評価装置として、加工面粗さの測定には接触式の表面粗さ計（サーフテスト７０１）を用い、表面状態の評価にＥＰＭＡ（表面元素分析装置）を用いた。
【００３３】
（実験方法）
使用する各砥石をツルーイングし初期電解ドレッシング特性を調査した後、単結晶シリコンの加工実験を行った。加工実験は、砥石・ワーク回転数１００ｒｐｍとして加工圧力を変えて行い、加工面粗さおよび加工能率の差異について調査を行った。また、ワーク加工面の状態をＥＰＭＡで測定観察も行った。ＥＬＩＤ電解条件は、無負荷電圧６０Ｖ、最大電流３０Ａ、パルス給電・休止時間２μｓの条件とした。
【００３４】
（初期電解ドレッシング特性）
図７に両砥石の初期電解ドレッシング時における実電流値の挙動を示す。メタル−レジンボンド砥石の場合、実電流値はドレス時間と共に非線形に減少し、約２０分で一定値に収束した。一方、メタルレスボンド砥石の場合、僅かに電流値の減少はみられるもののほぼ一定値を示した。
【００３５】
（加工特性）
図８に加工圧力と加工能率の関係を示す。本条件内においてメタルレスボンド砥石の加工能率は、メタル−レジンボンド砥石の加工能率に比べ低くなる結果が得られた。これは砥粒保持能力の差異等によるものと考えられる。また、加工圧力の上昇とともに加工能率が高くなる傾向を示し、本条件内において安定した加工が実現するものと考えられる。
【００３６】
図９には加工圧力と加工面粗さの関係を示す。加工圧力が高くなると僅かに加工面粗さが悪化する傾向を示したが、加工圧力７５ｋＰａ〜１１５ｋＰａの範囲で加工面粗さ約３０ｎｍＲｙと、従来のメタル−レジンボンド砥石と同等の良好な加工面が得られた。
【００３７】
（メタルレスボンド砥石による加工面の性状）
メタルレスボンド砥石、メタル−レジンボンド砥石を用いて単結晶シリコンの加工を行った後、ＥＰＭＡにて加工面の性状を評価した。メタルレスボンド砥石の場合、素材材料であるシリコンの回折はみられるが、その他の金属付着物は観察されなかった。一方、メタル−レジンボンド砥石の場合、良好な加工面からはメタルレスボンド砥石同様に金属成分は同定されなかったが、スクラッチ的な加工痕がある場合はこの周りにはボンド材成分の金属の付着が同定された。メタル−レジンボンド砥石に比べメタルレスボンド砥石の方が金属汚染の無い良好な加工面が得やすい。
【００３８】
上述したように、環境に優しいＥＬＩＤ研削加工技術の構築の一つとしてカーボン粉を使用したメタルレスボンド砥石の開発を行い、その特性について調査を行った。調査検討の結果、以下の結果を得た。
１）カーボン粉の配合比率を２０％前後とすることにより、良好な導電性と強度を確保できる。
２）メタル−レジンボンド砥石に比べ加工能率は低くなるものの同等の加工面粗さを得ることができる
３）ＥＭＰＡによる加工面評価の結果、金属汚染の無い良好な加工面を創成できる。
【００３９】
（ＥＬＩＤの有無による加工能率への影響）
図１０は、メタルレスボンド砥石のＥＬＩＤの有無による加工能率の比較図である。ワークはシリコン、砥石は＃８０００メタルレスボンド砥石である。この図に示すように、ＥＬＩＤを付加することにより加工能率の向上と加工能率の維持を図ることができる。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のメタルレスボンド砥石は、電解ドレッシング用の砥石の砥粒を保持するボンド部が、カーボンを含む非金属材のみで構成されている。このカーボンの存在により、ボンド部が導電性となり、電解ドレッシングによりカーボンを溶解して、砥粒の目立てができる。
【００４２】
また、ボンド部に金属材料が全く含まれていないので、このメタルレスボンド砥石を電解ドレッシングしても、重金属イオンを含む廃液が発生せず環境汚染を防止できる。また、カーボン自体はデバイスウエハに悪影響を与えないので、デバイスウエハの金属コンタミネーションを本質的に防止することができる。
【００４３】
さらに、砥石と電極との間に流れる電流は、不導体被膜の影響を受けずにドレッシング初期から常にほぼ一定の値を示すので、この電流を所定の範囲に制御することにより、電解ドレッシングを積極的に制御し、安定したＥＬＩＤ研削ができることが実験により確認された。
【００４４】
従って、本発明のメタルレスボンド砥石とそれによる電解ドレッシング研削方法及び装置は、重金属イオンを含む廃液による環境汚染やデバイスウエハの金属コンタミネーションを防止することができ、かつ良好な加工能率で鏡面のような高品位の加工面を得ることができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタルレスボンド砥石の製造プロセスを示す模式図である。
【図２】カーボンの配合比率と電気抵抗率の関係を示す図である。
【図３】配合比率と抗折強度とヤング率の関係を示す図である。
【図４】本発明の電解ドレッシング研削装置の構成図である。
【図５】初期電解ドレッシング時の電解時間と実電流値の関係を示す図である。
【図６】メタルレスボンド砥石による加工面粗さのプロファイルを示す図である。
【図７】従来と本発明の砥石の初期電解ドレッシング時における実電流値の挙動を示す図である。
【図８】従来と本発明の砥石の加工圧力と加工能率の関係図である。
【図９】従来と本発明の砥石の加工圧力と加工面粗さの関係図である。
【図１０】メタルレスボンド砥石のＥＬＩＤの有無による加工能率の比較図である。
【符号の説明】
１  メタルレスボンド砥石、２  カーボン電極、
３  導電性研削液、４  ワーク（被加工物）、
６  研削液供給手段、８  電源装置
【図１】
0004737492.tif 000002
【図２】
0004737492.tif 000003
【図３】
0004737492.tif 000004
【図４】
0004737492.tif 000005
【図５】
0004737492.tif 000006
【図６】
0004737492.tif 000007
【図７】
0004737492.tif 000008
【図８】
0004737492.tif 000009
【図９】
0004737492.tif 000010
【図１０】
0004737492.tif 000011