悩み解決のヒントあり06［著者］古野 大樹
工業機材事業本部 技術本部 商品開発部
先端材料グループ

材料が硬く加工出来ない！

材料が硬く、加工時間がかかり材料が硬脆く工具寿命が短くコストがかかる！！！

加工すると割れてしまう！！

こんな 悩 み にはこの 製 品

硬脆い材料を速く高精度に加工するには！！

サファイア研削用
メタルホイールＭＳＧ
サファイアなど高硬度・高脆性材料の加工効率を上げる固定砥粒工具として、高能率で高精度・高寿命な加工が可能となり、ウェーハへの加工ダメージとチッピング率を低減するという市場要求を上回る性能を達成しました。

生産性と精 度 向 上 を両立させる 固 定 砥 粒 加 工て加工精度（平坦度、表面粗さ、反り量など）を向上させる必要があります。一方、パワー半導体メーカーからは、SiCウェーハを使用したデバイス開発において、従来のSi50

サファイアウェーハメーカー、デバイスメーカーからウェーハ並みの高精度化・高品位化が求められ、量産対は、サファイアウェーハの低コスト、高品位化のご要求が応、低コスト化のために大口径化ウェーハ（φ6インチ）のあります。コストダウンのためφ6インチやφ4インチの利用が一部始まっています。産業界においても電気自動バッチ処理による加工枚数を増やし半導体チップを製造車の開発実用化、家電製品や産業機器の省エネ技術開していますが、チップ化の歩留まり向上には、従来に対し発が進められています。特に電気自動車の普及拡大に対悩み解決のサファイア研削用メタルホイールＭＳＧ

硬脆い材料を速く高精度に加工するには！！

図1 遊離砥粒加工と固定砥粒加工のイメージ

長 所

固定砥粒工具

ウェーハ

研磨液

コア
固定砥粒ウェーハ

ウェーハ

遊離砥粒
遊離砥粒加工06

短 所
・作業環境が汚れる
・自動化困難・定盤精度維持に熟練必要
・加工速度が遅い

・バッチ処理で生産性高い

定盤

定盤あり

表1 遊離砥粒加工と固定砥粒加工

研磨液（遊離砥粒含む）

研磨液

ヒント

固定砥粒加工遊離砥粒加工 ・良好な加工面品位（ラッピング研磨） （表面粗さ・低ダメージ）が得られる

・ウェーハ口径により、工具仕様、加工条件出しが必要

・自動化容易・加工速度が速い
固定砥粒加工・ウェーハ１枚から加工可能（研削加工）
・作業環境がきれい
・ロット内厚みバラツキが小さい

しては2次電池とモーターがポイントとなっており、大電り、高能率、かつ低摩耗で低ダメージという相反する要求力を扱うことから、より電力損失が少ないSiCを基板とがあります。

した次世代型パワー半導体の開発が進められています。
現在、サファイア、SiC等の高硬度材料に対するウェーハの平坦化・薄型化は主にラッピング研磨といった遊離砥粒加工を用いていますが、固定砥粒加工に置き換わる

表2 工具のボンド（結合剤）種類による長所と短所
ボンド種類

長 所

ビトリファイドボンド・多くの砥粒で自生させながら加工するため加工持続性に優れる

メタルボンド・高強度で砥粒保持力が強 ・摩滅した砥粒が脱落しく高寿命にくく切れ味低下を招く
・熱影響に強く、劣化しない ・ボンドが後退しにくいため、砥粒突き出しが確保しにくい

レジンボンド・弾性変形で加工するため、 ・砥粒がボンドに沈み込加工後の表面粗さが細かみ、ボンドと接触して加い（高脆性材料に対しては工が持続しない加工持続性が悪い）ことで様々なメリットが期待できます。遊離砥粒加工と固定砥粒加工のイメージを図1に、それぞれの長所短所を表1に示します。

材料特性か ら の 工 具 設 計

短 所
・工具摩耗が多い
・加工時間が長い

新しい材料を加工するには、まずその特性を知ることが重要です。サファイアはシリコンと比較して硬度が2倍で熱が逃げにくいため加工しにくい材料です。
SiCもシリコンと比較して、3倍の硬度があり、切れ刃であるダイヤモンドが摩耗しやすく、切れ味の低下を招きやすい材料です。

サファイア研削用
メタルボンドホイールのあるべき姿あるべき姿としては、｢メタルボンドの高強度、砥粒保ダイヤモンド砥粒を結合保持させるボンド（結合剤）の持力を維持しながら、ビトリファイドボンドのように砥種類には、①ガラスなどを原料とした「ビトリファイドボ粒の目替わり作用があり、切れ味持続性に優れる｣高性ンド」、②銅、錫などの金属を原料とする「メタルボンド」、能のメタルホイールです。前述の目標を達成するために、③フェノール樹脂、エポキシ樹脂を原料とした「レジノイド

砥粒の目替わり作用が効果的に発生するボンド後退性ボンド」があります。の良い専用のメタルボンドを開発しました。このボンドサファイアの研削加工を例にとり、工具のボンド種類による長所短所を表2に示します。

により安定した切れ味が得られたことと、ダイヤモンド砥粒の設計を見直すことで、従来にない高能率で高精工具には切れ味、摩耗だけでなく、脆性材料のウェーハ度・高寿命な加工が可能となりました。また、従来より切を薄型化するため、割れやチッピングも大きな課題となれ味が向上したことで、ウェーハへの加工ダメージが低｜ 51

悩み解決のサファイア研削用メタルホイールＭＳＧ

硬脆い材料を速く高精度に加工するには！！

表3 試験ホイール

ヒントあり

図3 加工除去率100

外径φ300mm

評価スペックSD 325 V （従来ビトリファイドホイール）
SD 325 MSG （開発メタルホイールMSG）減でき、チッピング率も減少するという市場要求を上回る性能を達成しました。現在では更なる特殊ホイール構

8295

従来ビトリファイドホイール

開発メタルホイールMSG80

加工除去率（％）

寸法6040200

造により、砥粒目替わり性を制御し、摩耗量削減にも成功しています。

ドホイールよりも低い電流値で加工が可能であり、切れこの製品をメタルホイール MSG（M et a l Su r f ace

味が良いことが分かります。

Grinding）と名付け、表3の開発メタルホイールMSGと従図3より、開発メタルホイールMSGは従来ビトリファイ

来ビトリファイドホイールとの各種性能を1～2の内容ドホイールよりも切込み量分を除去できるウェーハの量で比較しました。

が多いことから、高効率、かつ少ないホイール摩耗量で加工が可能なことが分かります。

1高速送り条件での研削性能比較
研削性能の比較評価を行うために、表4の試験条件で2ステップポリッシュによる加工ダメージ比較

研削試験を行いました。切れ味の指標となる電流値の結簡易的に加工ダメージを評価するため、研削試験後果を図2に、ホイール摩耗量の指標となる加工除去率ののウェーハ面を一定時間研磨することで加工ダメージの結果を図3に示します。一般的には電流値が低いと切れ深さを知るステップポリッシュ法（表5）を実 施しまし味が優れる傾向を意味します。

た。研削試験後、ステップポリッシュ後のウェーハ面状態

図2より、開発メタルホイールMSGは従来ビトリファイ

表4 試験条件を図4に示します。

表5 研削ダメージの評価条件（ステップポリッシュ法）

研削方式

縦軸平面研削（インフィード）ワーク

c面サファイアウェーハ φ4インチ×5枚ホイール 回 転 数

1,100rpm

テ ーブル 回 転 数100rpm

切 込 み速 度

100μm/min

取り代

520μm
（最終厚み135μm）

研削液

市水

研磨方式

遊離砥粒定圧方式

ワーク

c面サファイアウェーハ φ4インチ×5枚

研磨液

6μｍ多結晶ダイヤスラリー

取り代10μm

研磨時間30分

図4 ステップポリッシュ後のウェーハ面比較
従来ビトリファイドホイール
図2 電流値
従来ビトリファイドホイール
開発メタルホイールMSG

1513119

加工時間（秒）52

ステップポリッシュ後電流値（Ａ）

17

研削試験後

19

開発メタルホイールMSG

06

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硬脆い材料を速く高精度に加工するには！！

ヒント
あり

06

図4より、研削試験後のウェーハ面において開発メタルホイールMSGは従来ビトリファイドホイールよりも研削の条痕が細かくなっているのがわかります。ステップポ
リッシュ後のウェーハ面を比較すると、従来ビトリファイドホイールは研削条痕が一部残っているのに対し、開発メタルホイールMSGは研削条痕が全て取り切れていることから、低ダメージ加工が可能です。

以上の評価より、開発メタルホイールMSGは高硬度・高脆性材料に対する市場要求に応え、優位性を有する製品であると言えます。

Q 例えばφ4インチウェーハの加工実績としてA平坦度はどのくらいですか？

加工機にもよりますが、5μｍ以下の実績があります。

Q 例えばφ4インチウェーハの加工実績としてA表面粗さはどの程度ですか？

＃325でＲａ0.5μｍ程度です。
粒度により調整も可能です。

Q サファイアウェーハでφ6インチはA製品の高付 加 価 値 を推進する技 術 へ の 挑 戦加工できますか？

可能です。
送り速度3μｍ／ｓｅｃ以上での実績があります。

Q A＆今回は、新たなサファイア研削用メタルホイールについて紹介しました。
開発したメタルホイールMSGを用いることで、従来技術では達成が困難であった高能率条件での、「切れ味」「、高寿命」「、低ダメージ」を同時に実現します。
今後はSiCやその他材料に対しても、今回の基礎要素技術に基づいて開発を行い、更なる面品位の向上、加工ダメージの低減の要求に応える新しい技術を創生することがノリタケの使命です。ノリタケはこれからもお客様からの声に応えるために新しいダイヤモンドホイールの開発に取り組んでいきます。

［適用範囲と期待効果］
非金属材料その他

無機材料
有機材料（ガラス・セラミックス） （ゴム・プラスチック）

先端材料

金属材料
鉄系材料

非鉄系材料
（Alなど）●●

サイクルタイム短縮

工具寿命向上

加工品質向上

作業性改善

環境配慮

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