JP5603591B2 - 加工用砥粒、加工具、加工液およびそれらを用いた加工方法 - Google Patents
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Description
その一例として、電子デバイス用として、シリコン(Si)単結晶、炭化ケイ素(SiC)単結晶、窒化ガリウム(GaN)単結晶などからなる単結晶体(塊)を薄くスライスした単結晶板を得る場合について具体的に説明する。この場合、高価な単結晶体の切り代をできるだけ少なくして、単結晶体を高精度に薄くスライスすることが求められる。これに適したスライス(切断)方法として、ワイヤーソーが用いられる。ワイヤーソーによるスライス(切断)は、被加工材である単結晶体に対して、細いワイヤーを高速で摺動させることにより行われる。このワイヤーソーによるスライスは、砥粒が固定されたワイヤーを用いる固定砥粒式と、砥粒の固定されていないワイヤーへ、砥粒を分散液中に分散させたスラリー(加工液)を供給しつつスライスする遊離砥粒式とに大別される。それぞれの方式には長短があるが、最近では、環境性能や後工程の簡素化などの点で有利な固定砥粒式ワイヤーソーが多用されつつある。このようなワイヤーソーおよびその製造方法に関する提案として、例えば、下記の特許文献1または特許文献2などがある。
別の一例として、大容量の情報を効率的に伝達できる光ファイバー同士を接続する光コネクタの接続端面を研磨する場合がある。効率的で安定した通信には、その光コネクタの端面を高品質に研磨することが不可欠であり、光コネクタ端面は幾重にも研磨されて鏡面に仕上げられる。この光コネクタの端面の研磨には、微細な加工用砥粒からなる研磨層を有する研磨フィルム、研磨シート、研磨テープ、研磨砥石、研磨布等の研磨材が使用される。このような光コネクタ端面の研磨に関する提案が、例えば、下記の特許文献3などにある。
(1)本発明の加工用砥粒は、ダイヤモンドからなる主粒子と、窒素(N)を含む金属化合物からなる副粒子とを少なくとも混合した混合砥粒からなり、前記副粒子は、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、酸素(O)および窒素(N)からなるサイアロン粒子であることを特徴とする。
すなわち、Nを含む金属化合物はからなる副粒子は、単に高強度、高剛性であるのみならず、研磨粒子として最適な粒径に調整するためにボールミル等を用いて粉砕して製造されるため、鋭利な粒形をしているものが多い。
こうして本発明の加工用砥粒を用いれば、加工作業の大幅な効率化が図れた。また、従前と同等以上の加工性を達成しつつ、高価なダイヤモンド粒子の使用量を抑制することも可能となり、加工作業の低コスト化が図られるようになった。
サイアロン粒子は、セラミックス粒子の中でも非常に硬質、高強度または高剛性であって、本発明に係る砥粒に適している。このようなサイアロン粒子は、当然にダイヤモンド粒子には及ばないまでも、ダイヤモンド粒子に近接する優れた特性をもち、ダイヤモンド粒子と協調しまたは相乗することによって、上述したような優れた加工性を発現すると考えられる。
本発明は、上述したような加工用砥粒に限らず、それを用いた加工具としても把握される。すなわち本発明は、基材と、該基材の表面に形成され被加工材を加工する加工層とからなる加工具であって、前記加工層は、上述した本発明の加工用砥粒とこの加工用砥粒を前記基材の表面に固定する固定材と、からなることを特徴とする加工具であってもよい。
《加工液》
また本発明は、上述の加工用砥粒を用いた加工液としても把握される。すなわち本発明は、上述した本発明の加工用砥粒と、この加工用砥粒を分散させる分散液とからなり、被加工材の切断、切削または研削に用いられることを特徴とする加工液であってもよい。
《加工方法》
さらに本発明は、上述したような加工用砥粒、加工具または加工液に限らず、それらを用いて、被加工材を加工する加工方法としても把握される。
例えば、本発明の加工液を用いる場合であれば、砥粒を分散液中に分散させた加工液(研磨スラリー等)を加工部へ供給する加工液供給工程と、この加工液の供給された被加工材の加工部を加工する加工工程と、を備える加工方法とすればよい。
(1)本明細書でいう「加工性」は、例えば切断速度、切削速度、研削速度または研磨速度などの加工効率を示す指標や、加工面の平面度、平坦度、表面粗さ等の加工精度を示す指標などにより評価される。いずれの指標を用いるかは、被加工材や加工方法により適宜選択される。
本発明の加工具に係る砥粒は、主粒子と副粒子とから主になる。
(1)主粒子
本発明に係る主粒子は、被加工材の加工を主に担う粒子であって、副粒子よりも被加工材の加工性が高い粒子である。本発明に係る主粒子は、主にダイヤモンド粒子からなるが、ダイヤモンド粒子のみである必要はなく、被加工材の加工に有効な他の硬質粒子(副粒子以外)を含有していてもよい。
本発明に係る副粒子は、主粒子による加工を補助する粒子である。勿論、副粒子は、それ自体が被加工材の加工を担う粒子であってもよいが、主粒子よりも被加工材の加工性が低い粒子である。
本発明に係る副粒子は、主にNを含む金属化合物からなる粒子であるが、この副粒子もNを含む金属化合物からなる粒子のみによって構成される必要はなく、被加工材の加工に有効な他の硬質粒子(主粒子以外)を含有していてもよい。また、この金属化合物の組成も問わないが、例えば、このような金属化合物として、窒化ジルコニウム、窒化珪素、窒化アルミニウムなどがある。そして前述したように、副粒子がサイアロン粒子からなると特に好適である。
副粒子の平均粒径(d)は、0.01〜3μm、0.05〜2μmさらには0.1〜1μm程度であると、加工性の向上を図れて好ましい。この平均粒径が過小では効率的な加工が困難となり、過大では均一な加工が困難となったりスクラッチが大きくなって好ましくない。
なお、主粒子以外の副粒子や改質粒子は、シランカップリング剤により表面処理されていてもよい。これにより、砥粒粒子間の分散性や後述の固定材との親和性と向上させ得る。
加工具は、基材の表面に加工層を形成したものである。
基材は、その種類、材質などを問わない。基材の形態も、線状、膜状、塊状などいずれでもよい。基材は、例えば、ワイヤー、フィルムまたはシートなどである。ちなみに、フィルムまたはシートが例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリカーボネート等からなると、剛性や強度が確保され、加工層も安定的に形成され得る。
さらに、基材と加工層との接着性の向上、加工層のパターニング等のために、基材の表面に接着層を形成しておいてもよい。例えば、固定材が樹脂の場合なら、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂等を基材表面に付着させて接着層を形成し得る。
加工液は、加工用砥粒と分散液とからなり、具体的には加工用砥粒が分散液中に均一に分散した懸濁液(加工スラリー)である。本発明の加工液は、研磨以外の加工、すなわち、切断、切削または研削などに好適である。
分散液は、その種類やpHなどは問わない。分散液は、水でも油でもよいが、加工する被加工材の汚染などを抑止するために、不純なイオンなどを除去しイオン交換水などを用いると好ましい。さらに本発明に係る分散液は、被加工材や加工段階に応じて、酸性物質、アルカリ性物質、酸化剤、酸化物溶解剤、砥粒分散剤、キレート剤、糖類などから選択された少なくとも1種の添加剤を適量含有した混合液でもよい。
本発明の加工方法は、上述した加工具や加工液を用いて被加工材を加工する方法である。被加工材の切断には、例えば、(マルチ)ワイヤーソー、(マルチ)ブレードソー、内周歯切断、外周歯切断などがある。被加工材の研削には、センターレス研削、ロータリー研削、ホーニング研削、面取り研削などがある。被加工材の研磨には、ラッピング研磨、ポリッシング研磨、化学的機械研磨などがある。
被加工材の種類や形状は特に問わない。被加工材は、例えば、電子デバイス材料(ウエハ)に用いられるシリコン単結晶体でもよいし、より硬質な炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの単結晶体でもよい。また、被加工材は光コネクタに用いられるフェルール(ジルコニア製、金属製等)でもよい。
《研磨フィルムの製作》
光ケーブルの光コネクタの端面を研磨するために用いる研磨フィルム(加工具)を次のようにして製作した。
(1)フィルム(基材)
基材として、厚さ75μmのポリエステル製フィルム(東洋紡績(株)社製)を用意した。
砥粒として、ダイヤモンド粒子(主粒子)と、Si5AlON7で表される無機金属化合物であるサイアロン粒子(副粒子)と、SiO2で表される無機酸化物であるシリカ粒子を用意した。いずれの粒子も市販されているものであり、各粒子の平均粒径は、ダイヤモンド粒子:2μm(トーメイダイヤ(株)製)、サイアロン粒子:0.5μm(ケーワイシー(株)製)、シリカ粒子:0.5μmであった。
先ず、砥粒を上記のフィルム上へ固定するバインダー(固定材)として、ポリエステル系樹脂(バイロン200、東洋紡社製)と、架橋剤であるイソシアネート系硬化剤(コロネートL、日本ポリウレタン工業社製)とを用意した。希釈溶媒として、メチルエチルケトンとトルエンとを質量比1:2で混合した混合溶媒を用意した。
上述した砥粒、バインダーおよび希釈溶媒を、ビーズミル、ボールミル等のメディアを用いた分散機により表1に示す質量割合で均一に混合して、2種の塗料を調製した(調製工程)。この塗料を上述したフィルム上へスプレー塗布して、均一な塗膜を形成した(塗布工程)。
さらにこのフィルムを150℃x5分間加熱して、フィルム上の塗膜を乾燥および硬化(重合反応)をさせた。こうして、各種砥粒がバインダーにより固定された厚さ7μmの研磨層(加工層)を有する研磨フィルムが得られた。
表1に示すそれぞれの研磨フィルムを用いて、ジルコニアからなるφ2.5mmの光コネクタの端面を研磨(加工)した。具体的には、研磨機(株式会社精工技研製、SPF−120A)を用いて、弾性パッドに貼り付けた各研磨フィルム上に研磨液である蒸留水を滴下して、光コネクタの端面を研磨した研磨時間は表1に示す種々の時間で行った。なお弾性パッドは硬度80のウレタンラバーである。
表1に示す試料No.1と試料No.C1とを比較すれば明らかなように、研磨フィルムの研磨層を構成する各種砥粒の粒径や混合割合は同一であるにも拘わらず、副粒子の種類を変更することで、研磨性が大きく変化した。すなわち、副粒子として、サイアロン粒子(試料No.1)を用いた場合、シリカ粒子(試料No.C1)を用いた場合よりも、研磨性が40〜60%向上することが明らかとなった。特に、初期段階(研磨時間が10分の場合)において、研磨性が約60%も向上することが明らかとなった。このため、試料No.C1のシリカ粒子を用いた場合なら30分間要した研磨作業を、試料No.1のサイアロン粒子を用いれば、10分間で終えることができる。よって、研磨作業を非常に効率的に行えることが明らかとなった。
また、その主粒子であるダイヤモンド粒子の平均粒径(D)は3.5μmで、副粒子であるサイアロン粒子の平均粒径(d)は0.5μmであり、それらの平均粒径比(d/D)は約0.14であった。従って、この試料No.1で用いた砥粒はいずれも、本発明の加工用砥粒の範囲内にある。
Claims (10)
- ダイヤモンドからなる主粒子と、窒素(N)を含む金属化合物からなる副粒子とを少なくとも混合した混合砥粒からなり、
前記副粒子は、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、酸素(O)および窒素(N)からなるサイアロン粒子であることを特徴とする加工用砥粒。 - 前記主粒子(M)に対する前記副粒子(m)の質量比(m/M)は0.1〜9である請求項1に記載の加工用砥粒。
- 前記主粒子の平均粒径(D)は0.5〜10μmであり、
前記副粒子の平均粒径(d)は0.01〜3μmであり、
該主粒子に対する該副粒子の平均粒径比(d/D)は0.05〜0.8である請求項1または2に記載の加工用砥粒。 - 前記サイアロン粒子は、Si5AlON7で表される無機金属化合物からなる請求項1〜3のいずれかに記載の加工用砥粒。
- 基材と、該基材の表面に形成され被加工材を加工する加工層とからなる加工具であって、
前記加工層は、請求項1〜4のいずれかに記載の加工用砥粒と該加工用砥粒を前記基材の表面に固定する固定材と、
からなることを特徴とする加工具。 - 前記基材は、被加工材の切削に用いられるワイヤーまたは被加工材の研磨に用いられるフィルム若しくはシートである請求項5に記載の加工具。
- 前記固定材は、樹脂または金属である請求項5または6に記載の加工具。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の加工用砥粒と、該加工用砥粒を分散させる分散液とからなり、被加工材の切断、切削または研削に用いられることを特徴とする加工液。
- 請求項5〜7のいずれかに記載の加工具を用いて被加工材を加工することを特徴とする加工方法。
- 請求項8に記載の加工液を用いて被加工材を加工することを特徴とする加工方法。
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