| 研究課題/領域番号 |
16K06018
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| 研究機関 | 日本工業大学 |
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研究代表者 |
神 雅彦 日本工業大学, 工学部, 教授 (80265371)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 半導体基板 / 超硬合金 / サファイア / 超音波振動 / 固定砥粒研磨 / 研磨効率 / 研磨軌跡 / 切りくず |
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| 研究実績の概要 |
研究初年度（平成28年度）において，はじめに，固定砥粒方式に対し，研磨方向と直交方向に超音波振動の軌跡を重畳させた場合の効果の解析を行った．その結果，主な効果は以下の２点において証明された．１．実質研磨距離の延長：従来の研磨方向軌跡に対し，幾何学的に研磨距離が延長し，研磨効率が向上する．２．切りくずの微細化：前記研磨軌跡が砥粒間で交差することにより研磨が寸断され，切りくずが微細化する．これにより，表面精度の向上，砥石に目詰まり防止などの効果が得られる．
次に，この研磨法を実現するための超音波振動砥石の開発を行った．砥石の設計には，円板の呼吸振動モードを規準振動とし，その回転軸から超音波振動を入力する方式とした．設計と試作を繰り返した結果，砥石直径がφ107mm，共振周波数がf=38.3kHzの超音波振動砥石台金を開発することができた．砥粒粒度は，#800および#1,000とした．
実験では，基礎実験を超硬合金により実施し，その実績に基づき，半導体基板としてのサファイアに対して実験を行った．基礎実験の結果，研磨効率は，振幅の増加と共に向上し，最大振幅条件においては，慣用研磨に対して１１倍にも向上することを明らかにした．また，この傾向は，実質研磨距離の理論計算値ともおおむね一致し，実験結果を理論的に支持した．次に，切りくずを観察した結果では，切りくずが，超音波振動の振幅を増価させるほど微細化および均質化することを明らかにした．慣用研磨では，切りくずの大きさ分布は，換算直径100μm以上の粗粒のものから，10μm程度の微粒のものまでが混在しているのに対し，超音波振動研磨では，換算直径が，ほぼ10μm以下の微細かつ均質な切りくずとなることがわかった．
これらの研究成果は，提案した高脆材研磨法が，極めて有効であることを示しており，今後の半導体基板材料への展開が期待される
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
はじめに，固定砥粒方式に対し，研磨方向と直交方向に超音波振動の軌跡を重畳させた場合の効果の解析においては，現在，主な効果として，以下の４項目を解析中である．１，実質研磨距離の延長：この解析は，申請者の先行研究において一部を発表しているものであり，研究期間中において，その内容をさらに深めた．また，実験結果において，研磨効率が振幅の増加と共に向上し，最大振幅条件においては慣用研磨の１１倍の研磨効率が得られること，および実験結果が，理論計算値ともおおむね一致し，実験結果を理論的に支持したことから，予定通りの成果が得られたものと考える．２，切りくずの微細化：この解析は，本研究期間中に解析されたもので，研磨軌跡が砥粒間で交差することにより研磨が寸断され，切りくずが微細化するという考察である．実験結果でも，切りくずが，超音波振動の振幅を増価させるほど微細化および均質化することを明らかにし，解析結果の妥当性を検証した．
この効果は，次の副次的な効果をもたらす．すなわち，表面粗さ精度が向上すること，砥石の目詰まりが防止されること，半導体基板に残留する停留クラックが低減し，基板性能が向上するといった効果をもたらすことが予測されている．現在解析中であるが，残り２項目の効果解析は，上述の３，残留クラックの低減，および今後検証していく４，砥粒摩耗の低減効果である．これらは，次年度以降の研究に継続していく．
当初の研究計画にあった，提案研磨法に対する効果の解析，それを実現するための砥石の開発，研磨効果の検証に関する全ての項目が順調に進行しており，実用における有効性や今後の研究課題への期待ももたらされた点などを勘案し，研究は順調に推移していると言える．
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| 今後の研究の推進方策 |
研究第２年度（平成29年度）においては，まず，効果の解析に関して，前年度に引き続き，残り２項目についての検討を行う．すなわち３，残留クラックの低減に関する解析の継続，および４，砥粒摩耗の低減効果に関する理論解析を行う．
実験装置の開発に関しては，高硬度半導体基板研磨の残りの手法であるラップないしは半固定砥石の開発を行う．遊離砥粒や半固定砥粒が半径方向で軸対称に伸縮振動するラップないしは半固定砥石を開発する．ラップの設計手法は，有限要素法により，円板の固有振動モード解析を行い，砥石の基本寸法を設計し，それに砥石としての仕様を盛り込むことで最終設計をする．
実験では，基礎的実験として超硬合金，次世代半導体基板としてサファイアなどを用いる．実験結果の検討は，超音波振動の振幅と単位時間当たりの加工量との関係，研磨面の調査，切りくず形態や砥石への目詰まり状況の調査によるものとする．
一方，基礎的研究と並行して，提案研磨法が実際のウエハー研磨装置として成立し，工業的な有効性に関して研究を行っていく．そのために，実ウエハーの超音波振動研磨装置のプロトタイプの試作を行う．装置の本体には，卓上研削装置に開発した超音波振動砥石を設置し固定砥粒や遊離砥粒方式による研磨実験装置を構築する．被削材の自転と公転の作用により加工軌跡は互いに交差し，加工を均一化させる作用が加わるので，その研磨機構について調査し検討していく．
研究期間において，適宜，補完研究の期間を設定し，研究が上手くいかなかった場合の対応や補足研究を実施する．研究成果は，この分野の権威学会である精密工学会や砥粒加工学会で口頭発表するほか，論文投稿を行って研究成果を広く公開する予定である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
学会発表，研究調査等の旅費に１００千円計上していたが，実際に必要になった費用が，それより少なくなったこと，その他費用にも１００千円計上していたが，学会参加費や論文投稿費として必要となった費用が，それより少なくなったこと，および研究計画の工夫により実験資料が節約できたため，消耗品費の使用が計画よりも少なくできたことによる．
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| 次年度使用額の使用計画 |
学会発表，研究調査等の機会を増やし，論文投稿本数を増やすなど，より活発に研究発表したく，そのための旅費とその他費用に充てる．次年度の研究では，新しい装置を製作する課題が増えるため，装置製作費等に充当したい．
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