２０２２年度

新産業創出研究会「研究成果報告書」「 半導体基板の高能率・高品質研磨加工を実現する粘弾性・熱可塑性樹脂ボンド砥石の開発 」［ 岡山大学学術研究院自然科学学域・研究教授 ］ ［ 大橋 一仁 ］
１．はじめに
情 報 化 社 会 が今 日 ではますます加 速 しており， それに伴 うデータ通 信 の高 速 ， 大 容 量 化 が求められている．そのため，5G 通信規格がさらに普及し，やがてそれに続く通信 規格の実用化も期待 されているが， これに対 応 する情 報 端 末 や発 信 器 等 に不 可 欠 な通 信 用 半 導 体 の量 産 技 術 の開 発 が求 められている． 情 報 通 信 機 器 に搭 載 される各 種 フィルタや発 信 器 等 の SAW〔 SurfaceAcoustic Wave; 表 面 弾 性 波 〕 デ バ イ ス に 用 い る タ ン タ ル 酸 リ チ ウ ム お よ び ニ オ ブ 酸 リ チ ウ ム（ LT/LN） 等 の化 合 物 半 導 体 基 板 や， これら基 板 への回 路 形 成 時 に接 合 するサファイアやアルミナ系 セラミック等 の高 硬 度難 削 性 サポート基 板 についても高 能 率 かつ高 品 質 な研 磨 加 工 技 術 が急務の課題となっている．この課題を解決するために，既存の遊離砥粒を用いる研磨加工技術をベースにした研 究 がなされているが，遊 離 砥 粒 加工 法 では加 工 速 度 の限界 の問 題 に直 面 している． また， 固 定 砥 粒 による研 磨 加 工 法 の検 討 も実 施 されてきたが， 既 存 の砥 石 を用 いる限 りでは
如 何に砥 粒径 を小 さくすれども遊 離砥 粒 加工 法に匹 敵 する加 工面 品 質 を実現 することは不可 能で， 表 面 粗 さや加 工 ダメージ層 の問 題 を十 分 にクリアでず， 加 工 品 質 の面 で本 格 的 な実 用 化 に至っていない．
そこで，この原 因 が砥 石 の砥 粒 を支 持 するボンド（結 合 剤 ） の材 料 特 性 にあることに着 目 し，新たな研削砥石の開発も含 めて研究を実施 した．すなわち，既存砥石のボンドは主に熱硬化あるいは焼 結 材料 であり，そのヤング率にかからず砥粒の切込 みに伴 う加 工抵 抗がそのままウエハ表 面に作用するためダメージ層も生成され，要求される加工面品質に到達しないが，これに対し，粘弾性 を有 する熱 可 塑 性 樹 脂 をボンドに用 いると応 力 緩 和 により加 工 抵 抗 が軽 減 されることで， 基 板の高 品 質 な研 磨 加 工 が高 能 率 に実 現 できると考 えた． また， 熱 可 塑 性 樹 脂 は， 温 度 による粘 弾性 の変 化が顕 著 であり，加 工 条 件 を制 御 することによって基 板 への砥 石 の作 用 が変 化 する ことが想 定 される． そこで， 通 信 用 半 導 体 関 連 基 板 の高 能 率 ・ 高 品 質 固 定 砥 粒 研 磨 加 工 技 術 を開 発することを目 的 として，新 たな熱 可 塑 性 樹 脂 をボンドに用 いた微 粉 研 磨 砥 石の開 発 とともに，これを用いた加工特性を実験的に検討した．
２.概要
既 存 砥 石による固定 砥 粒加 工 の問題 の原 因 が砥石 の砥 粒 を支 持 するボンド（ 結 合 剤 ） の材料
特 性 にあることに着 目 し，新 たな研 削 砥 石 の開 発 も含 めて研 究 を実 施 した． すなわち，既 存 砥 石のボンドは主 に熱 硬 化 あるいは焼 結 材 料 であり， そのヤング率 にかからず砥 粒 の切 込 みに伴 う加工 抵 抗がそのままウエハ表 面に作 用するためダメージ層も生 成 され，要 求される加工 面品 質に到達 しないが， これに対 し， 粘 弾 性 を有 する熱 可 塑 性 樹 脂 をボンドに用 いると応 力 緩 和 により加 工抵 抗 が軽 減 されることで， 基 板 の高 品 質 な研 磨 加 工 が高 能 率 に実 現 できると考 えた．また，熱 可塑 性樹 脂 は，温 度による粘 弾性の変化が顕 著であり，加 工条 件 を制 御することによって基板への砥 石 の作 用 が変 化 することが想 定 される．そこで，通 信 デバイス基 板 に用 いられるアルミナ系 セラミックを対象とした高能率 ・高品質 固定砥粒 研磨加 工技術を開発することを目的として，新たな熱可 塑 性 樹 脂 をボンドに用 いた微 粉 研 磨 砥 石 の開 発 とともに， これを用 いた加 工 特 性 を実 験 的 に検討した．
３.研究成果および今後の課題
3.1 熱可塑性結合剤の材料特性の検討
砥石結合剤に使用する熱可塑性樹脂の材料特性を把握するため，動的粘弾性測定装置 AR2000（TAインスツルメント社）を用いてトーション方式の粘弾性評価試験を行った．本試験では，粘弾性の損失弾性率と貯蔵弾性率および両者の比率を表す tanδを測定した．図 1 に本研究で試作した熱可塑性結合剤と既存結合剤であるビトリファイドおよびレジノイドの tanδの測定結果を示す．既存結合剤の tanδは，温度にほとんど影響されず tanδは極めて小さいが，本研究で用いた熱可塑性結合剤は，温度によってtanδが大きく変化すること確認できた．tanδの値が大きい結合剤ほど，損失弾性率の割合が高くなり，基板に作用する加工圧を低減する効果が期待できるため，本研究では，砥粒に単結晶ダイヤモンド（816µm）を採用し，熱可塑性結合剤αを用いて図 2 に示す粘弾性・熱可塑性樹脂ボンド砥石を試作した．

図 2．熱可塑性樹脂ボンド砥石
図 1．粘弾性試験による tanδへの温度の影響
3.2 研磨雰囲気温度による研磨性能への影響
図 1 に示したように，試作した熱可塑性樹脂ボンド砥石は，温度により著しくその特性を変化させる性質を持っているため，本実験では，クーラント温度により研磨雰囲気温度を制御し，最適な研磨条件を検討した． 試作した砥石定盤を GC#800，2000 を用いて面出しを行い，格子状の溝加工を施した．図 3 に本実験で使用した設備と実験方法を示す．主な実験条件は，表１に示すとおりである．また，研磨後のアルミナ系セラミックウエハは図 4 に示す外周部 4 ヵ所 A〜D のウエハ厚をマイクロメータで測定することで加工レートを評価し，レーザ顕微鏡と触針式粗さ計を用いてウエハ中央部と外周部の表面観察および表面粗さ測定を実施した．
表 1．実験条件

アルミナ系セラミック

図 3．研磨実験装置と方法

図 4 にクーラント温度による加工レートへの影響を示す．研磨開始後 1min の研磨レートが，クーラント温度 0℃では 100µm/h なのに対し，40℃
では 80µm/h であった．しかし，両条件ともに研磨開始から 3 分以降の研磨レートが著しく低下し，ほとんど研磨能力が認められなかった．図 5 にウエハ表面の観察結果を示す．クーラント温度 0℃と常温においては，研磨時間に比例して，平坦箇所の面積が大きくなっていることが確認できたが前加工のダメージ層を完全に取り除くまでには
至 ら な か っ た ． し か し ，ク ー ラ ン ト 温 度 0 ℃ で120min 研 磨後の ウエ ハ平 坦 箇 所を Zygo 社
NewView7300 で測定した結果，部分的にではあるが表面粗さ 1nmRa の超精密研磨面が認められた．
また，図 6 に 120min 研磨後の砥石表面の観察結果を示す．クーラント温度 0℃で研磨した砥石

アルミナ系
セラミックウエハ

図 4．研磨雰囲気温度と研磨レートの関係

1nmRa

図 5．ウエハ研磨面性状（ウエハ中央）

図 6．120min 研磨後の砥石表面性状

表面では，熱可塑性樹脂の砥粒保持力が大きいため，加工抵抗により砥粒が砥石表面を研磨方向に移動するものの砥石表面に留まり，結果的に研磨レートも大きくなったと思われる．一方，クーラント温度40℃の砥石表面においては，砥粒が研磨方向に移動した痕跡は確認できたが，熱可塑性樹脂の砥粒保持力が小さいため砥粒が脱落し，研磨レートが低下したと思われる．以上のことから，今後は樹脂の配合を見直し，砥粒保持力がより高い組成の砥石を試作する予定である．また，前加工面のダメージ層を取り除くまで加工レートを持続させるため，適切な粒度のダイヤモンド砥粒の検討も併せて実施予定である．
４．おわりに
本研究では，通信デバイス基板の研磨工程の高能率・高品質化を目的として，砥石に使用する熱可塑性樹脂の物性評価と研磨実験の結果を元にした熱可塑性樹脂ボンド砥石を試作し，その研磨性能・最適研磨条件の検討を行った．加工能率の観点からは，従来の遊離砥粒加工法を大幅に上回る加工レートが得られ，固定砥粒加工としての有効性を確認することができた．また，研磨雰囲気温度により研磨性能が変化し，研磨雰囲気温度が低いほど高い研磨性能を示すことが明らかとなった．一方，砥石切れ味の持続性など，実用化に向けて検討するべき課題が明らかとなった．
５．本研究の今後の計画
他の熱可塑性樹脂や配合を変えた砥石を試作し，粘弾性試験による tanδと研磨性能の相関関係を検討する．また，ダイヤモンド砥粒の粒径を大きくすることで研磨性能の持続性を向上させるとともに，研磨雰囲気の温度制御による研磨性能への効果発現の検証を行い，粗加工から仕上げ加工に加工モードをシフトさせるハイブリッドな研磨工程の実現を検討する．さらに，これらの成果を生産現場に実装するため砥石の大型化を図り，本技術の実用化を目指す．
６．その他（１）出願特許（タイトル・出願番号・発明者・特許権者など）
検討中（２）投稿論文（タイトル・学会名等）
データ等を補足整理して論文投稿を考慮中（３）本研究会の参加企業・団体名
株式会社新興製作所

この報告書は、競輪の補助により作成しました。
競輪の補助事業

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