Creation of grinding wheels using carbon dioxide molding technology at room temperature with chemical soaking and verification of their machining performance
| Project/Area Number |
23K22650
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| Project/Area Number (Other) |
22H01379 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
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| Research Institution | Tohoku Gakuin University |
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Principal Investigator |
松浦 寛 東北学院大学, 工学部, 教授 (30612767)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
相澤 崇史 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (90356329)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
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| Keywords | 研削加工 / 不織布 / 二酸化炭素 / 砥石 |
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| Outline of Research at the Start |
２年度目で当初目標としていた二酸化炭素による可塑化で不織布砥石の製作と基礎的な加工実験は終了した．また，２年目に購入した大型のラップ盤に高速回転スピンドルと高速ステージを取り付ける改造が終わったことで，4インチ以上のウエハが研削できるようになった．現在，不織布を巻き取る方法と二酸化炭素加圧装置にセットする治具の設計とそれで製作する砥石の最適条件を調査している．現在の課題は，研削研磨基盤に砥石を数十個貼り付ける際に，均等な高さにすることとドレッシング方法になる．最終的にワークをSiC4インチウエハに絞り不織布にダイヤモンドとフェリシアン化カリウムの混練する技術を確立して，研削実験に臨む．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，申請者が研究を行ってきた研削中の熱による砥粒再設定(Reconfiguration)，研削後に加熱して砥粒再投入(Restoration)，使用済み砥石の再生(Recycle)ができる機能を持つ熱可塑性樹脂砥石で脆性材料をCMPと同等の表面性状にする基盤技術を築くことを目的としている．
申請者は，これまでに石英・水晶を乾式研削で工作物の表面を鏡面にする研削条件，及び砥石再生条件を見出してきた．さらに，産総研と共同し二酸化炭素(CO2)による熱可塑性樹脂の可塑化 技術を応用して砥石成型が可能であるという知見を得た．そこで本研究では，CO2による砥石成型の確立を端緒として，化学的な表面活性反応が付加した砥石を開発し，その研削研磨メカニズムの解明を目指している．また，本技術を用いて，パワー半導体ウエハを用いて熱と化学反応による効果と超平坦化を実証する予定である．
当該年度に実施した研究成果は，2022年度は共同研究の産総研殿保有の装置を拝借して実験を行った．大学移転に伴い2023年3月にCO2による砥石成型装置およびこれを操作するに必要となる周辺機器を新キャンパスに設置して，4月に運用開始した．実験によって得られた知見としては，従来砥石より表面性状が優れている面もあるが，表面の粗さのばらつきが大きく，その制御因子がいまだに判明していない．また，不織布表面の砥粒量のムラの制御をする課題も残っている．従来からの集中度では砥粒量を表せないため，学術的に定義する必要があることがわかった．これらの内容を2022年度は加工系学会において円形形状の砥石に限定した不織布砥石に関して3件口頭発表（砥粒加工学会，機械学会）した．また，精密工学会会誌に不織布砥石の現状と展望というテーマ（5月掲載予定）で解説論文を寄稿した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年11月に不織布砥石製作用成型機を多賀城キャンパスに移設した．その後，学会発表のために実験を行い，2022年1月に再び梱包して移転先の五橋キャンパスに再び移設した．電源配線が2023年3月30日になりその時点で正常動作を確認した．これまでに，円筒形状の不織布砥石の製作において問題なく成型できることがわかった．一方で砥粒量のばらつきが制御出来ておらず，次年度はこれを解決する課題が増えた．
集中度は単位体積当たりの砥粒質量で算出されるが，不織布砥石の不織布に砥粒を塗布する方法のため，従来の集中度の計算方法では対応できないことがわかった．そのため，学術的に新たな定義が必要になることがわかった．実験の結果から，ばらつきが大きいこともわかった．2022年度に不織布の砥粒量の表示定義を学会等で提案する予定である．
試しに手作業でテープ状に裁断した不織布で積層形砥石を成型したが特に問題なく砥石を作ることができた．しかし，テープ形状が不揃いであると積層形砥石を数十個研磨パットに貼り付けてウエハ加工するため，高さがあまりにも大きすぎると，ダミーカットの作業時間がかかりすぎるため，正確な幅で不織布を裁断する技術が必要になることがわかった．
不織布砥石を成型する際の状態をシミュレーションするためCOMSOL（シミュレータ）を使い始めた．COMSOLに関しては東京都立産業技術研究センタの國枝研究員の協力を得て計算を進めることになった．二酸化炭素を成型機で圧縮するプロセスで超臨界の一歩手前の亜臨界で成型が可能になることがわかった．この状態のシミュレーションにはCOMSOLの流体モジュールが必要になることもわかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
GaNウエハの研磨用に不二越製研磨機を調達したが，そのままでは使用できないため2023年度は改造を行なうことになる．具体的には研磨用のスピンドルを高速で移動させる門型ガントリー機構が8月下旬に納品される．8月までにスピンドル固定治具等を設計加工する．これらを研磨機に取り付ける作業を9月完成を目指して行う．
当初研究計画で示した積層形砥石の製作を行う．今年度中に（1）不織布を短冊状に裁断する装置を設計して開発する．具体的には手動による裁断カッターを検討している．所望の間隔になるよう調整された複数枚のカッター刃をセットして不織布を裁断する．次に，不織布を押さえ裁断が容易にならしめる治具を設計製作する．これらを組み合わせて不織布形状をテープ状にする．完成したら手動から自動で裁断できるようにステッピングモータ駆動の装置を試作する．（2）不織布を積層して成型するためのテープ状の不織布を巻く装置を開発する．まずは1枚ずつ軸方向にずれないように巻きつける治具を設計試作する．その後に，ステッピングモータ駆動で半自動（不織布巻き始めは手動）で均等圧力で巻きつける機構を設計試作する．（3）積層形状にする前の不織布に砥粒を塗布する方法に関して実験を行い確立する．現時点ではテープ状の不織布の中心からどちらか片側面を砥石形状にするため成型圧着（反対側は砥粒塗布）する方法，もしくは圧着面，砥粒面を交互に配置する方法を考えている．（4）積層形砥石を作るための金型を設計試作して実用的になるよう修正を行う．金型は加熱ができるヒータカートリッジ及び低温にするペルチエ素子を将来組み込める構造を検討している．
不織布に化学薬品を含有できる実験装置を設計する．砥粒なしの状態で基礎実験を行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
