CN117415736B - 合成磨石、合成磨石组件、以及合成磨石的制造方法 - Google Patents
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Abstract
用于进行表面加工的合成磨石包含:磨粒率(Vg)大于0体积%且为40体积%以下的磨粒、和粘结剂率(Vb)为35体积%以上且小于90体积%的无纺布制的粘结剂。而且,合成磨石的气孔率(Vp)大于10体积%且为55体积%以下。
Description
技术领域
本发明涉及例如用于进行化学机械磨削(CMG)等表面加工的合成磨石、合成磨石组件、以及合成磨石的制造方法。
背景技术
有时会利用进行基于干式的化学机械磨削(CMG)的表面加工的方法(例如,参照日本专利4573492号公报)。在CMG工序中,使用热塑性树脂等树脂粘结剂固定了研磨剂(磨粒)的合成磨石。然后,一边使晶片及合成磨石旋转,一边将合成磨石按压于晶片(例如,参照日本特开2004-87912号公报)。晶片表面的凸部因与合成磨石的摩擦被加热/氧化,从而变脆,剥落。由此,仅晶片的凸部被磨削而变得平坦化。
发明内容
对于合成磨石而言,例如随着CMG工序的进行,磨粒(研磨剂)会从合成磨石的相对于被磨削物的粘结剂的表面(镜面加工的工作面)逐渐脱落,合成磨石的工作面变得平滑。因此,在工作面,例如基于热塑性树脂的粘结剂与被磨削物的接触机会增加。其结果是,磨粒与被磨削物之间的接触压力降低,加工效率降低,另一方面,在为了提高加工速率而进行干式加工时,合成磨石的工作面与被磨削物之间的摩擦热变得过大,存在被磨削物产生烧损、由研磨残渣的卷入所导致的划痕的可能性。
本发明是为了解决上述的问题而完成的,其目的在于提供例如在进行干式的镜面加工时等能够抑制过大地产生摩擦热的合成磨石、合成磨石组件、以及合成磨石的制造方法。
解决问题的方法
本发明的一个方式的用于进行表面加工的合成磨石包含:磨粒率(Vg)大于0体积%且为40体积%以下的磨粒、和粘结剂率(Vb)为35体积%以上且小于90体积%的无纺布制的粘结剂。而且,合成磨石的气孔率(Vp)大于10体积%且为55体积%以下。
附图说明
图1是实施方式的合成磨石的结构的示意图。
图2是示出合成磨石(成型体)的制造流程(制造方法)的示意图。
图3是示出制作无纺布类型的合成磨石时的合成磨石的三要素(磨粒率(Vg)、粘结剂率(Vb)、气孔率(Vp))的三相图。
图4是在与图3对应的各点的合成磨石的硬度测定值。
图5是示出是否能够制造图3所示的无纺布类型的合成磨石的边界的示意图。
图6是将可耐受使用的合成磨石放大1500倍的图像。
图7是示出用于被磨削物的加工的CMG装置的示意图。
符号说明
10···CMG装置、43···磨石保持构件、100···合成磨石、101···磨粒、102···粘结剂、200···合成磨石组件。
具体实施方式
如图1所示,合成磨石100由磨粒(研磨剂)101和粘结剂(粘合剂)102形成。合成磨石100可以进一步具有气孔103。在本实施方式中,合成磨石100保持为使磨粒101分散在粘结剂102中的状态,并且将气孔103分散于粘结剂102中而配置。
作为磨粒101,虽然不限定于以下材料,但在被磨削物为硅的情况下,例如可以适当地应用二氧化硅、氧化铈、或它们的混合物。同样地,在被磨削物为蓝宝石的情况下,可以适当地应用氧化铬、氧化铁、或它们的混合物等。此外,作为存在应用可能性的研磨剂,也可以根据被磨削物的种类而使用氧化铝、碳化硅、或它们的混合物等。
在本实施方式中,对于将被磨削物设为硅、并且使用例如平均粒径为约1μm的氧化铈作为磨粒101的例子进行说明。磨粒101的粒径可以适当地设定,例如优选小于5μm。
作为粘结剂102,在本实施方式中,使用无纺布。作为无纺布的一例,可以使用聚酯短纤维。作为聚酯短纤维,例如可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)短纤维。
合成磨石(成型体)100基于图2所示的流程(制造方法)而形成。首先,使图3所示的后述的体积比率的磨粒101、以及用于形成无纺布的短纤维状的粘结剂102混合,得到混合材料(混合粉体)(步骤ST1)。不放大地观察这里的粘结剂102时,例如基本为粉体状。
接着,将该混合材料填充于模具,该模具用于形成成为合成磨石100的最终形状的形状(步骤ST2)。此时,可以利用干式法、湿式法、其它方法使纤维聚集。例如在170℃下以30分钟加压成型(热压),将合成磨石100成型为成型体(步骤ST3)。然后,将模具内的成型体脱模(步骤ST4)。
图3中示出了如上所述地制作无纺布类型的合成磨石100时的合成磨石100的所谓的三要素(磨粒率(Vg)、粘结剂率(Vb)、气孔率(Vp))的三相图。
图3至图5中示出了适当地调整合成磨石100的三要素(磨粒率(Vg)、粘结剂率(Vb)、气孔率(Vp))而制作合成磨石100的实验结果(19个点)。通过该实验,形成了能/不能制作合成磨石100的边界。在合成磨石100为图5所示的边界的内侧的组成的情况下,能够用作合成磨石100。
19个点中,形成为能够耐受使用的合成磨石100的是13个点。该13个点的范围是:磨粒的磨粒率(Vg)为0体积%以上且40体积%以下的范围,粘结剂率(Vb)为35体积%以上且小于90体积%的范围,气孔的气孔率(Vp)大于10体积%且为55体积%以下。图3~图5中示出了即使在磨粒率为0体积%的情况下也制成合成磨石100的形式。在磨粒率为0体积%的情况下,合成磨石100不包含磨粒101,因此,合成磨石100的磨粒率实际上会大于0体积%。在本实施方式中,对于合成磨石100而言,先确定磨石101的磨粒率(Vg),然后设定粘结剂102的粘结剂率(Vb)。
图6中示出了使用扫描电子显微镜对能够耐受使用的13个点的合成磨石100中的一个放大1500倍的图像。在图6的合成磨石100中确认到了无纺布的粘结剂102。在图6中,确认到了作为粘结剂102的无纺布的纤维状树脂(细长的图形)和附着于该纤维状树脂的粒子状的磨粒101。
对于能够用作合成磨石100的13个点进行了肖氏硬度测定(ASTM D2240-05TypeDO)。图4中示出了在与图3相对应的各点的合成磨石100的硬度测定值。如图3~图5所示可知,气孔率增高时,合成磨石100变得比较软质,气孔率降低时,变得比较硬质。
需要说明的是,以下,将无法形成合成磨石100的6个点称为成型体。为图5所示的边界的外侧的组成的情况是19个点中其余的6个点,是无法形成合成磨石100的成型体。在箭头α的区域中,图5所示的边界的外侧的成型体的气孔率高,填充密度低。因此,成型体的粘结剂的粘结不足,可以设想为成型体的角部、表面破碎这样的严重崩解的结果。在箭头β的区域中,图5所示的边界的外侧的成型体的气孔率低,填充密度足够。但是,粘结剂率低,可以设想成型体的表面变成粉状。在箭头γ的区域中,可以设想图5所示的边界的外侧的成型体的气孔率过低,填充密度过高。该成型体会成为在成型时无法达到规定尺寸这样的结果。
可以设想,在磨粒率过高的情况下,也成为没有粘结而成型体崩解的结果。如上所述,磨粒率例如优选大于0体积%且为40体积%以下。
由此可知,只有通过将磨粒率、粘结剂率、气孔率设定为给定范围的体积比率,才能够将使用无纺布作为粘结剂的合成磨石100成型。
在本实施方式中,合成磨石100形成为圆板状,用于通过机械作用和基于化学成分的复合作用进行加工的干式的化学机械磨削(CMG)加工。即,合成磨石100通过干式对作为被磨削物的晶片W的表面发挥化学机械磨削作用,进行作为被磨削物的晶片W的表面加工。然后,通过双面胶带、粘接剂等将合成磨石100固定于磨石保持构件(基体)43,形成为合成磨石组件200,安装于图7所示的CMG装置10,用于作为被磨削物的晶片W的表面加工。磨石保持构件43只要具有可耐受CMG加工的适当的刚性,具有在会因合成磨石100的使用而上升的温度下的耐热性,并且不发生热软化即可,例如可使用铝合金材料等。
一边使具有磨石保持构件43及合成磨石100的合成磨石组件200和作为被磨削物的晶片W沿着图7中的箭头方向旋转,一边将晶片W按压于合成磨石100。此时,以合成磨石100的圆周速度例如为600m/min进行旋转,并且以加工压力300g/cm2按压晶片W。因此,合成磨石100与晶片W的表面滑动。这样开始加工时,合成磨石100与晶片W的表面发生滑动,外力会作用于粘结剂102。该外力连续地作用,CMG工序进行时,磨粒(研磨剂)会从合成磨石100的粘结剂102的相对于作为被磨削物的晶片W表面的表面(镜面加工的工作面)逐渐脱落。然后,利用基于保持在作为粘结剂102的无纺布内的固定磨粒101、或者从作为粘结剂102的无纺布脱落的磨粒101的化学机械作用,对晶片W的表面进行研磨。晶片W的表面的凸部因与合成磨石100的摩擦而被加热/氧化,从而变脆,剥落。由此,仅晶片W的表面的凸部被磨削,晶片W的表面平坦化。
在本实施方式中,不使用热塑性树脂材料(例如乙基纤维素)作为粘结剂,而使用无纺布作为粘结剂102。因此,与使用热塑性树脂材料作为粘结剂的情况相比,能够进一步增大粘结剂102的弹性变形量。因此,本实施方式的合成磨石100对作为被磨削物(被加工物)的晶片W的表面的跟随性优异。
在使用热塑性树脂材料作为粘结剂的情况下,热存积在合成磨石与晶片W之间时,作为粘结剂的热塑性树脂材料变软,发生在合成磨石的表面的溶出等。而且,作为粘结剂的热塑性树脂材料熔融,发生被称作发粘(sticking)的对晶片W的表面的熔敷时,由合成磨石产生的磨削阻力急剧上升,会发生晶片W的表面粗糙、划痕。
与此相对,在如本实施方式的合成磨石100这样使用无纺布作为粘结剂102的情况下,即使热存积于粘结剂102,也不会发生在合成磨石100的表面的溶出。因此,即使热存积于合成磨石100与晶片W之间,也能够防止粘结剂102熔融。因此,本实施方式的合成磨石100能够在更长的期间保持稳定的加工性能。因此,能够防止意外地在作为被磨削物的晶片W的表面产生划痕。因此,通过使用本实施方式的无纺布制的粘结剂102,与将热塑性树脂材料用作粘结剂的情况相比,能够柔软地磨削被磨削物(被加工面),能够有助于被磨削物的低损伤化。
这是由于,为了改善在进行干式的镜面加工时等过大地产生摩擦热而进行了努力研究的本申请发明人发现,通过以满足上述的三相图的作为磨石的三要素的方式形成合成磨石100,能够使对被磨削物的加工性变得优异。即,例如适于进行干式的表面加工的合成磨石100包含:磨粒率(Vg)大于0体积%且为40体积%以下的磨粒101、和粘结剂率(Vb)为35体积%以上且小于90体积%的无纺布制的粘结剂102,合成磨石100的气孔率(Vp)大于10体积%且为55体积%以下。通过使用本实施方式的合成磨石100,例如通过干式进行镜面加工时,能够利用由在合成磨石100与被磨削物之间局部产生的高温、高压所引起的化学固相反应,并且抑制在合成磨石100与被磨削物之间过大地产生摩擦热。而且,使用本实施方式的合成磨石100对被磨削物例如通过干式进行镜面加工时,能够实现被磨削物的表面粗糙度例如为亚nm水平的极其平坦的加工(镜面加工)。
根据本实施方式,可以提供例如在进行干式的镜面加工时等能够抑制过大地产生摩擦热的合成磨石100、合成磨石组件200、以及合成磨石100的制造方法。
在本实施方式中,对使用PET短纤维作为粘结剂102的无纺布的例子设定了能够形成为合成磨石100的范围。作为粘结剂102的无纺布除了聚酯短纤维以外,还可以使用聚酰胺(PA)短纤维或聚丙烯(PP)短纤维。需要说明的是,作为无纺布,可以选择使用聚酯短纤维、聚酰胺(PA)短纤维及聚丙烯(PP)短纤维中的一种或多种。而且,在使用这些无纺布作为粘结剂102的情况下,上述的磨粒率(Vg)、粘结剂率(Vb)、气孔率(Vp)的体积比率的范围也可以与使用PET短纤维的情况同样地设定。需要说明的是,作为粘结剂102的无纺布,并不限定于此。例如,可以使用长纤维的无纺布。作为长纤维的无纺布,可以使用聚酯长纤维、聚丙烯长纤维等、或者它们的混合物。
需要说明的是,短纤维的无纺布是指使用了将纤维切断而成的材料的无纺布,长纤维的无纺布是指使用了将纤维以无尽头的方式连接在一起的材料的无纺布。短纤维的无纺布使用切断的纤维,短纤维的无纺布的纤维长度可以适当设定。短纤维的无纺布的纤维长的一例为微米级。另外,长纤维的无纺布例如为以与卷绕长度相同的长度连接在一起的纤维。例如如果有100m的卷绕,则1根纤维为约100m。
在本实施方式中,对于将合成磨石100设置为圆盘状的例子进行说明。合成磨石100可以形成为颗粒状、细长的长方体状等各种形状。合成磨石组件200可以形成为适当的形状,以便保持合成磨石100。
对于本实施方式的合成磨石100而言,对使用干式加工的例子进行了说明,但例如也可以用于使用了磨削水(例如纯水)的湿式加工。
(第1变形例)
对于本变形例的合成磨石100包含大小适当的粗大粒子作为第1填料的情况进行说明。
第1填料例如优选为球状,但并不一定限定于球体,只要是块状即可,也可以包含少量的凹凸、变形。第1填料例如为二氧化硅,通过无纺布制的粘结剂102而被分散、固定。第1填料优选包含粒径比磨粒101的粒径大的二氧化硅、和固定在粒径大的二氧化硅的周围的粒径小的二氧化硅。优选粒径小的二氧化硅比磨粒101的粒径小。合成磨石100中的第1填料的体积比率例如可以基于磨粒101的磨粒率(Vg)并根据与粘结剂102的粘结剂率(Vb)的相关性而设定。即,在本变形例中,对于合成磨石100而言,先确定磨粒101的磨粒率(Vg),然后根据粘结剂102及第1填料的相关性而设定粘结剂102的粘结剂率(Vb)及第1填料的体积比率。第1填料优选多于0体积%且为40体积%以下。
需要说明的是,相对于作为被磨削物的以硅作为主成分的晶片W,由氧化铈形成的磨粒101与晶片W或其氧化物为同等程度或软质。另外,相对于磨粒101,由二氧化硅形成的第1填料与晶片W或其氧化物为同等质地或软质。
包含磨粒101、无纺布制的粘结剂102、第1填料的合成磨石100如上述的实施方式中所说明地那样制造。
第1填料的平均粒径大于磨粒101,因此,加工中的合成磨石100与晶片W基本上通过第1填料的顶点而接触。即,在合成磨石100的母材(磨粒101及无纺布制的粘结剂102)与晶片W之间,由于存在第1填料,因此母材与晶片W不直接接触而形成一定的间隙。
在第1填料与晶片W接触的状态下开始加工时,外力会作用于母材。通过该外力连续地作用,磨粒101从母材脱落。游离的磨粒101在合成磨石100与晶片W的间隙中以附着于第1填料的状态而存在于加工界面。因此,加工中的磨粒101与晶片W基本上通过第1填料的顶点进行接触。因此,磨粒101与晶片W的实际接触面积大幅减小,加工点处的作用压力增高。因此,能够以高加工效率进行磨削加工。
通过间隙,晶片W的表面附近与外部大气的循环受到促进,加工面被冷却。而且,由磨粒101产生的残渣经由间隙而从晶片W被排出至外部,能够防止晶片W的表面受到损伤。其结果是能够防止因摩擦热所导致的晶片W的表面的烧损、划痕。
由此,利用合成磨石100,可将晶片W的表面磨削得平坦且为给定的表面粗糙度。
根据本变形例的合成磨石100,即使进行加工,也能够充分地保持磨粒101与晶片W的接触压力,保持加工效率,而且通过抑制粘结剂102与晶片W的直接接触,防止晶片W的品质降低及划痕的产生。在本变形例中,如上述的实施方式中所说明的那样,能够抑制由在合成磨石100与被磨削物之间产生的热导致过大地产生摩擦热。
作为第1填料,可以应用二氧化硅、碳和作为它们的多孔体的二氧化硅凝胶、活性炭、球状树脂等。需要说明的是,作为气孔形成剂而使用的中空球会在加工中破裂而成为划痕的原因,因此是不适合的。
(第2变形例)
对于本变形例的合成磨石100包含比第1变形例中说明的第1填料小且大小适当的导电性物质作为第2填料的情况进行说明。另外,在本变形例中,对于上述的CMG装置10的磨石保持构件43使用例如铝合金材料作为具有导电性、并且具有适当的导热性的原材料的例子进行说明。
作为导电性的物质,可举出碳纳米管等。这些物质比磨粒101的平均粒径小。合成磨石100中的第2填料的体积比率例如可以基于磨粒101的磨粒率(Vg)并根据与粘结剂102的粘结剂率(Vb)的相关性而设定。即,在本变形例中,对于合成磨石100而言,先确定磨粒101的磨粒率(Vg),然后根据粘结剂102及第2填料的相关性而设定粘结剂102的粘结剂率(Vb)及第2填料的体积比率。第2填料优选以多于0体积%且为10体积%以内的范围添加。另外,第2填料例如可以通过使用碳纳米管等来提高作为合成磨石100的结构体的强度。
在通过CMG装置10开始晶片W的加工时,合成磨石100与晶片W发生滑动,对粘结剂102施加外力。由于该外力持续地发生作用,磨粒101脱落。游离的磨粒101在合成磨石100与晶片W的间隙中滑动。通过磨粒101的化学机械作用,对晶片W的表面进行研磨。
在晶片W的表面被研磨、发生摩擦时,会在晶片W的表面产生静电。此时,导电性的第2填料使晶片W的表面的静电流动至磨石保持构件43(参照图7)。因此,通过使用本实施方式的合成磨石100,能够一边对晶片W的表面进行研磨,一边去除在晶片W的表面产生的静电。其结果是能够防止尘埃等附着于晶片W的表面。
另外,在本变形例中,磨石保持构件43的导热性比合成磨石100高。在晶片W的表面被研磨、发生摩擦时,会在晶片W的表面产生摩擦热。此时,通过第2填料吸收摩擦热,将通过第2填料吸收的热传递至磨石保持构件43。因此,通过使用本变形例的合成磨石100,能够一边对晶片W的表面进行研磨,一边去除在晶片W的表面产生的摩擦热。其结果是,能够防止由于合成磨石100的表面与晶片W的表面之间的摩擦热而在晶片W的表面发生烧损,另外,能够防止划痕。因此,本变形例的合成磨石100不仅能够良好地对晶片W的表面进行加工,还能够实现合成磨石100的长寿命化。
需要说明的是,也优选在与合成磨石100一起旋转的磨石保持构件43设置散热片等散热部,即,优选合成磨石组件200具有散热部(传热部)。在该情况下,散热部通过旋转而与空气接触,可将合成磨石100的热有效地进行散热。
另外,通过在磨石保持构件43的内部设置冷却水等的配水管,也能够将磨石保持构件43及合成磨石100进行冷却。
在本变形例中,对于磨石保持构件43具有导电性及比合成磨石100高的导热性的例子进行了说明,但也可以由具有导电性及比合成磨石100高的导热性中的至少一者的原材料形成。在具有导电性的情况下,能够将被磨削物与合成磨石100之间的静电去除,在具有比合成磨石100高的导热性的情况下,能够有效地对会在合成磨石100产生的热进行散热。
需要说明的是,在第1变形例中对使用第1填料的例子进行了说明,在第2变形例中对使用第2填料的例子进行了说明。合成磨石100也优选包含第1填料及第2填料这两者。
(第3变形例)
对于本变形例的合成磨石100包含比在第1变形例中说明的第1填料小且大小适当的粒子作为第3填料的情况进行说明。
作为第3填料的粒子,可举出绿色金刚砂(GC,green carborundum)等。这些粒子比作为被磨削物的晶片W更硬。GC等第3填料的粒子可以比磨粒101的平均粒径大,也可以比其小。当然,GC等的粒子也可以为与磨粒101的平均粒径相同程度的大小。
例如,氧化铝(alumina)、氧化锆(zirconia)、氧化铈(ceria)、氧化硅(silica)等金属氧化物类的磨粒101的平均粒径可以具有大于GC、小于GC、与GC相同程度的大小。例如,氧化铝、氧化锆、氧化铈类的磨粒101的平均粒径基本上均大于GC。例如,氧化铝类的磨粒101的平均粒径可以为与GC相同程度的大小(~200nm)。例如,在GC等的粒子为10nm的情况下,二氧化硅等磨粒101的平均粒径可以为1nm。合成磨石100中的第3填料的体积比率例如可以基于磨粒101的磨粒率(Vg)并根据与粘结剂102的粘结剂率(Vb)的相关性而设定。第3填料优选以多于0体积%且为10体积%以内的范围添加。
已有在晶片W的与表面相反侧的背面形成细小的伤痕等吸杂位点(getteringsite)、并通过该吸杂位点捕获杂质的技术(吸杂效果)。GC比晶片W的背面更硬质,用于在晶片W的背面有意地形成伤痕。
在本变形例中,如上述的实施方式中所说明那样,能够抑制由在合成磨石100与被磨削物之间产生的热导致过大地产生摩擦热。另外,如果是具备导电性的GC,则能够抑制会在合成磨石100与被磨削物之间产生的静电。
需要说明的是,本发明并不限定于上述实施方式,在实施阶段,可以在不脱离其主旨的范围进行各种变形。另外,各实施方式也可以适当组合而实施,在这样的情况下可以得到组合的效果。此外,上述实施方式包含了各种发明,可以从选自公开的多个构成要件的组合中提取出各种发明。例如,在即使从实施方式所示出的全部构成要件中删除若干构成要件也能够解决技术问题而获得效果的情况下,可以提取出删除了该构成要件的构成作为发明。
Claims (7)
1.一种合成磨石,其用于进行被磨削物的表面加工,所述合成磨石包含:
磨粒率(Vg)大于0体积%且为40体积%以下的磨粒、和
粘结剂率(Vb)为35体积%以上且小于90体积%的无纺布制的粘结剂,
所述合成磨石的气孔率(Vp)大于10体积%且为55体积%以下,
所述无纺布制的粘结剂包含选自聚酯短纤维、聚酰胺短纤维、聚丙烯短纤维中的至少一种,
所述合成磨石用于以干式进行所述表面加工,
所述合成磨石包含平均粒径比所述磨粒大的第1填料,所述第1填料不是中空球。
2.一种合成磨石,其用于以干式进行表面加工,所述合成磨石包含:
磨粒、
保持使所述磨粒分散的状态的无纺布制的粘结剂、以及
平均粒径比所述磨粒大的第1填料,
所述第1填料不是中空球,
所述无纺布制的粘结剂包含选自聚酯短纤维、聚酰胺短纤维、聚丙烯短纤维中的至少一种,
所述无纺布制的粘结剂的粘结剂率(Vb)为35体积%以上且小于90体积%。
3.根据权利要求1或2所述的合成磨石,其中,
所述合成磨石包含具有导电性的第2填料、以及比被磨削物硬的第3填料中的至少一者。
4.根据权利要求1或2所述的合成磨石,其以干式对所述被磨削物发挥化学机械磨削作用。
5.根据权利要求3所述的合成磨石,其以干式对所述被磨削物发挥化学机械磨削作用。
6.一种合成磨石组件,其具有:
权利要求2或3所述的合成磨石、和
固定所述合成磨石、且具有导电性及比所述合成磨石高的导热性中的至少一种性质的基体。
7.权利要求1所述的合成磨石的制造方法,该方法包括:
将所述磨粒及所述无纺布制的粘结剂混合而得到混合材料;
将所述混合材料填充于模具中,通过热压进行成型;以及
将经所述成型后的成型体进行脱模。
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