JP2004066358A

JP2004066358A - Small diameter drill

Info

Publication number: JP2004066358A
Application number: JP2002225450A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hirose; 広瀬　祐二
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain an increase in manufacturing cost and attain stability to breakage in deep hole work of a small diameter drill with sintered diamond used for boring a hole of a hard fragile material. <P>SOLUTION: In this small diameter drill, the axial directional length of a flute is 2 to 20 times a diameter of a tip cutting edge, and the axial directional length of a body is longer by 30% or more than the axial directional length of the flute. A diameter of the body is set smaller than the diameter of the tip cutting edge in a range up to a shank side tail end part of the body from the shank side tail end part of the flute, and cutting performance is improved in the deep hole work more than a conventional drill, and the breaking is little caused by preventing reduction in tool rigidity. Manufacture is also facilitated, and an increase in the manufacturing cost is restrained. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小径ドリルに関し、たとえば単結晶シリコン板の如き硬質脆性材料に対する小径穴、かつ、深穴の穴明け加工に好適な小径ドリルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置のなかの一部品として使用されている単結晶シリコン板は、厚さが５〜６ｍｍで外径が２００〜３００ｍｍの円板に、穴径が０．４ｍｍとか０．６ｍｍといった穴が３００〜６００穴穿設されたものがあり、ガスシャワーのノズルとして使われる。このように単結晶シリコン板，硬質ガラス，セラミックスなどの硬質脆性材料へ安定して小径穴明け加工を施すことを目的とする小径ドリルとして、本発明の出願人が特開平１１−４８０１６に開示した小径ドリルがある。図５はこの小径ドリルの代表的な形状を例示したもので、段付き丸棒状をなすドリル本体（１）は、超硬合金の先端に焼結ダイヤモンド（２）が一体に焼結され、先端角（α）を形成して対峙する一対の先端切れ刃（５）が形成され、前記ドリル本体（１）の外周には、ねじれを伴なったフルート（６）が形成され、前記先端角（α）が８０°〜１００°であり、前記フルート（６）のねじれ角（β）が１５°〜２５°の小径ドリルである。一般に、プリント配線板を積層させた多層基板の穴明け加工に使用される小径ドリルは、前記先端角（α）が１２０°乃至１３０°、前記フルート（６）のねじれ角（β）が３０°乃至４０°の範囲に設定されているが、特開平１１−４８０１６に開示された小径ドリルによれば、単結晶シリコン板，硬質ガラス，セラミックスといった硬質脆性材料に対して、工具寿命の延長が図られるとともに、ドリル折損に関して信頼性の向上が図られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した半導体製造装置のなかの一部品として使用される単結晶シリコン板は、消耗による寿命を改善させるため、厚さを８〜１０ｍｍに増したものが使用されるようになってきている。従来から使用されているドリルは、剛性を確保するため、一般的にボデー（４）の長さがフルート（６）の長さに対して３〜１０％しか長くなく、具体的には、厚さ５〜６ｍｍの単結晶シリコン板に対して、前記フルート（６）の軸線方向の長さが７ｍｍ、前記ボデー（４）の軸線方向の長さが７．４ｍｍの小径ドリルが使用されていた。そのため、前述のような厚さを８〜１０ｍｍに増した単結晶シリコン板の小径穴明けに関して、前記ボデー（４）の長さが不足し、従来と同様に一方向からの穴明け加工では貫通させることができなかった。そこで、一方の面から穴明け加工した後、単結晶シリコン板を反転させ、対向する裏面から穴明け加工すれば、穴を貫通させることが可能であるが、板を反転させる際に生じるずれによって、穴の真直度が損なわれてしまう。これを避けるために、従来と同様に、一方向からの貫通穴明け加工を行うには、前記フルート（６）の軸線方向の長さを最低でも９〜１１ｍｍとする必要があるが、従来から使用されているドリルでさえ成形が困難であるのに、さらに前記フルート（６）の軸線方向の長さと前記ボデー（４）の軸線方向の長さともに長くするのは、現在の製作技術水準では、製作上困難を極めてしまう。仮に製作できた場合でも、ドリルの寸法精度、使用上の信頼性などに問題を生じることは避けられず、結果として、歩留まりの低下による製作コストの大幅な上昇、ドリルの工具寿命の悪化、加工された穴の加工精度の悪化といった問題が生じる。
【０００４】
単結晶シリコン板の穴明け加工に関して、小径ドリルによる穴明け加工以外の加工方法も以下に紹介する。一つは超音波加工によるものである。これは、加工穴径に等しい外径をもった超硬合金製のピンが剣山の針のように植え込まれたものを工具とし、この工具と加工物との間に砥粒を含んだ水を流し込みながら超音波振動させた工具を前進させることにより、穴明けが進められるというものである。この方法は基本的にラップ加工なので、ドリル加工より加工時間が長くかかり、また工具の摩耗につれて加工穴が先細りとなるために、同一径の穴が明かないといった問題がある。
【０００５】
もう一つの例は、小径ドリルに砥粒を電着させた電着砥石による方法である。この方法によれば、穴の内壁面の仕上り状態はドリル加工より優れたものとなるが、やはり加工時間が長いうえ、０．６ｍｍ程度以下の小径になると、ドリル外表面の曲率半径が極めて小さくなるために砥粒の密着性が悪くなり、工具寿命が短いという問題が起きる。また、小径であればあるほど、ドリルの外径に比較して相対的に砥粒の粒径が大きくなるので、砥粒のばらつきがそのままドリル外径のばらつきとなって表われやすくなる。さらに、砥粒が脱落すれば、ドリル外径に及ぼす変化の度合いが大きくなることになる。
【０００６】
前述した超音波加工、電着砥石による加工ともに、加工穴の直進性、直径精度は、深穴となることで一層悪くなり、工具寿命の点でも実用的な加工が困難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の如き課題に鑑みなされたもので、丸棒状をなすドリル本体（１）の先端には、先端角（α）を形成して対峙する一対の先端切れ刃（５）が形成され、前記ドリル本体（１）の外周には、ねじれを伴ったフルート（６）が形成され、前記ドリル本体（１）は、超硬合金の先端に焼結ダイヤモンド（２）を有し、または、超硬合金からなる母材の表面に硬質膜が被覆された小径ドリルであり、ボデー（４）の軸線方向の長さが前記フルート（６）の軸線方向の長さよりも３０％以上長く、前記フルート（６）のシャンク側の終端部（８）から前記ボデー（４）のシャンク側の終端部（９）までの範囲において、前記ボデー（４）の直径が前記先端切れ刃（５）の直径よりも小さいことを特徴とする小径ドリルである。さらに詳細には、前記先端切れ刃（５）の直径が０．１〜２．０ｍｍであり、前記フルート（６）の軸線方向の長さが前記先端切れ刃（５）の直径の２〜２０倍であり、前記先端角（α）が８０゜〜１００゜であり、前記フルート（６）のねじれ角（β）が１５゜〜２５゜であることを特徴とするドリルである。また、本発明は、上記小径ドリルを用いた穴明け加工において、前記ドリルにおけるフルート（６）の軸線方向の長さが加工される穴の深さよりも短く、かつ、前記ドリルが送り方向に前進する切削過程と、前記ドリルが穴から完全に抜かれる程度に送り方向に対して後退する退避過程とを交互に繰り返す、いわゆるピック加工を行うことを特徴とする穴明け加工方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の小径ドリルは、先端切れ刃（５）とマージン（７）の材質として、焼結ダイヤモンド（２）が使用される。これは、半導体製造装置のなかの一部品として使用されている単結晶シリコンや硬質カーボン、セラミックス等の硬質脆性材料に対して、高い耐摩耗性が得られ、実用的な工具寿命が得られるからである。そして、製作コストやドリル本体（１）の強度の点から、先端切れ刃（５）とマージン（７）をなす先端部のみが焼結ダイヤモンド（２）を有していればよい。超硬合金と前記焼結ダイヤモンド（２）との密着強度が高くなることから、ドリル本体（１）は、超硬合金の先端に焼結ダイヤモンド（２）が一体焼結されることが好ましい。あるいは、先端切れ刃（５）とマージン（７）の耐摩耗性が高められるという同様な効果が得られることから、焼結ダイヤモンド（２）の代わりに、超硬合金を母材とするドリル本体（１）の表面に硬質膜および／または潤滑膜が被覆されたものでもよい。前記硬質膜としては、チタン化合物、チタンアルミニウム化合物、硬質炭素、アルミニウム化合物、チタンクロム化合物があり、前記チタンアルミニウム化合物にはＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆを含んでもよい。また、前記潤滑膜としては、モリブデン化合物、クロム化合物、タングステン化合物がある。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＡｌＣ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣ、ＴｉＡｌＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣ、ＴｉＡｌＣｒＣＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＣＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＣｒＣ、ＴｉＣｒＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＣｒＣＯ、ＴｉＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＮＯ、ＭｏＳ_２、ＣｒＮ、ＷＳ_２といったものがある。
【０００９】
半導体製造装置のなかの一部品として使用されている単結晶シリコンや硬質カーボン、セラミックス等の硬質脆性材料からなる円板への貫通穴明け加工において、前記円板、すなわち、被削材の厚み増加により、加工される穴が深くなった場合、前述したように、穴の真直度を高めるためには、一方向から穴明け加工を行い貫通させることが望ましい。それに伴って、用いられるドリルにおいては、加工する穴の深さ増加分に見合う程度に、フルート（６）の軸線方向の長さとボデー（４）の軸線方向の長さを伸ばす必要があるが、結果として、ドリル剛性の低下を招いてしまうことになる。そこで、本発明の小径ドリルは、前記フルート（６）の軸線方向の長さが先端切れ刃（５）の直径の２〜２０倍以下に設定されている。これによって、ドリルの剛性低下の主因である前記フルート（６）の軸線方向の長さが従来ドリルと同等以下に抑えられ、ドリルの剛性低下が阻止されることから、ドリル折損などのトラブルを回避することができ、ドリルとしての穴明け加工の安定性が確保できる。加工される穴については、加工中の負荷を起因とするドリルの撓みが抑えられることによって、穴の曲がりが小さく真直度の良好な穴となる。同時に、製作するうえでも、フルート（６）の成形加工が従来ドリルと同等またはそれ以上に容易であるため、従来通りの製作技術水準で製作可能であり、製作コストの上昇を抑えることができる。また、本発明のドリルを用いた穴明け加工では、該ドリルのフルート（６）の軸線長さが加工される穴の深さより短いため、穴あけ加工が進むと、前記フルート（６）が加工した穴に完全に潜り込む状態が生じる。しかし、該ドリルが送り方向に前進する切削過程と、前記ドリルが穴から完全に抜かれる程度に送り方向に対して後退する退避過程とを交互に繰り返す、いわゆるピック加工が行われ、しかも、前記切削過程１回当りの送り量が小さいことから、生成される切りくずは、少量かつ細かく分断されたものとなるため、該ドリルのフルート（６）の軸線方向の長さが先端切れ刃（５）の直径の２倍以上あれば、前記切削過程において、切りくずを前記フルート（６）内に留めておくことができ、前記切削過程後の退避過程において、切りくずを前記フルート（６）内から穴の外へ排出することができ、円滑な切りくず排出が実現される。
【００１０】
ドリルのボデー（４）の軸線方向の長さは、シャンク（３）が被削材に干渉しないように、加工される穴の深さより長く設定されなければならない。しかし、所望される穴の深さは、一律に決っておらず、さまざまに変化するため、本発明のドリルでは、実際に、この種のドリルが使用されている加工現場で所望されている穴深さの現状と、ドリルの剛性を確保することとを考えあわせて、前記ボデー（４）の軸線方向の長さは、フルート（６）の軸線方向の長さの最大値（先端切れ刃の直径の２０倍）に対して、少なくとも３０％（先端切れ刃の直径の２．６倍）長く設定される。これ以下になると、ドリルの剛性は充分であるが、所望される深さの穴を貫通加工できない場合がでてくる。一方、前記フルート（６）の軸線方向の長さが最小（先端切れ刃の直径の２倍）となる場合には、前述の最大となる場合にくらべ、前記ボデー（４）の軸線方向の長さが同じであっても、ドリルの剛性が充分高くなるため、さらに前記ボデー（４）の軸線方向の長さは、前記フルート（６）の軸線方向の長さに対して、３０％増加を大きく超え、最大値の目安としては、前記フルート（６）の軸線方向の長さの２０倍程度まで長く設定することができるようになり、より深い穴明け加工が可能となる。
【００１１】
また、ドリルのボデー（４）は、加工した穴の内壁に干渉しないように、その直径が加工される穴の直径、すなわち、先端切れ刃（５）の直径より小さくなければならない。そのため、本発明のドリルは、前記フルート（６）のシャンク側の終端部（８）から前記ボデー（４）のシャンク側の終端部（９）までの範囲において、ボデー（４）の直径は先端切れ刃（５）の直径より小さく設定される。
【００１２】
さらに、本発明のドリルによれば、従来ドリルによる穴明け加工において、所望される穴の深さが深くなった場合に、前記従来ドリルに対して、ボデー（４）の軸線方向の長さを延ばす加工を追加するだけで、フルート（６）の加工を一切行わなくても完成させることができるため、標準的な工具仕様である従来ドリルの完成在庫品のなかから必要本数のみを追加加工して顧客へ提供することができ、ドリルの製作コストを抑えるとともに顧客ニーズへの即応が可能となる。
【００１３】
本発明のドリルは、先端切れ刃（５）の直径を０．１〜２．０ｍｍの範囲としているが、前記直径が０．１ｍｍより小さくなると、ドリルの強度低下による剛性不足からドリル折損の問題が生じるためであり、前記直径が２．０ｍｍより大きくなると、被削材である単結晶シリコン板へ与えるダメージが大きくなり、穴の入口と出口にこば欠けを発生させてしまったり、単結晶シリコン板自体を破損させる恐れがあるからである。
【００１４】
本発明の小径ドリルでは、先端角（α）を８０°〜１００°とすることによって、穴明け加工時のスラスト抵抗を減少させ、ドリルに対する負荷を軽減させる。また、先端切れ刃（５）の直径が同一のドリルでの比較において、先端角の小さいものの方が切れ刃長さが長くなるので、その分、単位切れ刃長さ当りの負担が軽減され切れ刃摩耗が抑えられる。先端角（α）が小さすぎると、チゼルエッジの強度不足やリップハイトの精度が得られにくいといった問題が生じることから、前記先端角（α）は８０°以上がよい。
【００１５】
また、フルート（６）のねじれ角（β）を１５°〜２５°とすることで、先端切れ刃（５）部のすくい角が小さくなり、刃先強度が増す。また、前記ねじれ角（β）が小さくなることで、前記フルート（６）が設けられた範囲において、軸直角方向の断面積が増加することになり、その結果、ボデー（４）の強度が増して折損に対する信頼性が高められる。ただし、前記ねじれ角（β）は小さすぎると、切れ味や切りくず排出性を低下させてしまうため、１５°以上がよい。
【００１６】
次に、この発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施形態を正面からみた形状を示し、図２は先端部の拡大図を示している。ドリル本体（１）は、丸棒状をなす超硬合金の先端に焼結ダイヤモンド（２）が一体に焼結されたものである。先端切れ刃（５）の材質としては、高い耐摩耗性を有する焼結ダイヤモンドが好適であるが、先端切れ刃（５）とマージン（７）の耐摩耗性が高められるという同様な効果が得られることから、焼結ダイヤモンド（２）の代わりに、超硬合金を母材とするドリル本体（１）の表面に硬質膜および／または潤滑膜が被覆されたものでもよい。前記硬質膜としては、チタン化合物、チタンアルミニウム化合物、硬質炭素、アルミニウム化合物、チタンクロム化合物があり、前記チタンアルミニウム化合物にはＳｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆを含んでもよい。また、前記潤滑膜としては、モリブデン化合物、クロム化合物、タングステン化合物がある。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＡｌＣ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣ、ＴｉＡｌＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣ、ＴｉＡｌＣｒＣＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＣＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＣｒＣ、ＴｉＣｒＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＣｒＣＯ、ＴｉＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＮＯ、ＭｏＳ_２、ＣｒＮ、ＷＳ_２といったものがある。ドリル本体（１）はシャンク（３）とボデー（４）とからなる段付き丸棒を呈し、前記シャンク（３）と前記ボデー（４）との接続部がテーパ状をなしている。図３は第２の実施形態を正面からみた形状を示しているが、この図のように、前記接続部におけるシャンク（３）端面の形状が軸線に直角な平面であってもよい。そして、シャンク（３）は工具保持具に嵌合する太さを持ち、ボデー（４）の先端には一対の先端切れ刃（５）がドリルの中心軸に対峙して形成され、正確には中心軸を通る平行面に先端切れ刃（５）が投影されてなす先端角（α）が形成され、先端切れ刃（５）の後方にはボデー（４）の外周に沿ってねじれ角（β）なる捩れを伴ったフルート（６）が先端部のマージン（７）とともに備わっている。そして、ボデー（４）の軸線方向の長さは、フルート（６）の軸線方向の長さに対して３０％以上長く、前記フルート（６）の軸線方向の長さが前記先端切れ刃（５）の直径の２〜２０倍であり、前記フルート（６）のシャンク側の終端部（８）から前記ボデー（４）のシャンク側の終端部（９）までの範囲において、前記ボデー（４）の直径は、前記先端切れ刃（５）の直径より小さく形成されている。
【００１７】
小径ドリルを使用して単結晶シリコン板に穴明けする場合の代表的な加工方法を以下に述べる。まず折損事故が起きないように先端切れ刃（５）の直径が大きめのドリルによって揉み付け作業が行なわれる。揉み付けによって深さの浅いセンター穴が設けられたら、所望される先端切れ刃（５）の直径をもつ小径ドリルに工具交換され、加工液として水が外部より給水されながら穴明けが行なわれる。このとき、折損防止のために穴明けは一時に行なわれずにピック加工される。
【００１８】
図４は、前記のような代表的な加工方法に倣って行なった、本発明の小径ドリルにおける加工例を示すものである。図４の左側の図が従来のドリル、右側の図が本発明のドリルにおける加工例を示している。図４に示すように、この小径ドリルは、厚さ５ｍｍの単結晶シリコン板の穴明け加工に使用されていた従来ドリルに対して、追加加工によりボデー（４）の長さを７．４ｍｍから１１ｍｍへ延長したものであり、フルート（６）の長さが７ｍｍのままであり、前記フルート（６）のシャンク側の終端部（８）から前記ボデー（４）のシャンク側の終端部（９）までの範囲において、前記ボデー（４）の直径を先端切れ刃（５）の直径より小さくしたものである。前記フルート（６）の軸方向の長さは、先端切れ刃（５）の直径の２〜２０倍の範囲で、ドリルの切削性と切りくずの排出性に応じて適宜選ばれる。前記ボデー（４）の軸線方向の長さも、前記フルート（６）の軸線方向の長さより３０％以上長く、さらに詳細には、所望される穴の深さとドリルの切削性に応じて適宜選ばれる。ドリルの先端部には従来ドリルと同じ焼結ダイヤモンド（２）が使われており、先端切れ刃（５）の直径は０．５ｍｍである。被削材は１０ｍｍ厚さの単結晶シリコン板である。まず、揉み付け作業には、先端切れ刃の直径が１ｍｍで先端部に焼結ダイヤモンドが一体成形されたドリルが使用され、深さ０．０５ｍｍのセンター穴が明けられる。その後、前述の本発明の小径ドリルを使用して穴明け加工を行うが、切削条件として、ドリルの回転数は１５０００ｒｐｍであり、送りは１５ｍｍ／ｍｉｎ、初回は０．５ｍｍの深さまで加工し、それ以降、切削過程１回当りの送り量が０．１ｍｍのピック加工が行われる。また、ドリルは、先端切れ刃（５）が単結晶シリコンを貫通した後、貫通量として、さらに送り方向に０．５ｍｍ送られる。
【００１９】
このような切削条件で加工試験を行った結果、本発明の小径ドリルは、従来から行われている５ｍｍ厚さの単結晶シリコン板の穴明けと同一の切削条件で加工することが可能であった。そして、本発明の小径ドリルは、従来ドリルに対して、フルート（６）の軸線方向の長さが従来ドリルと同一に保たれて、剛性の低下がわずかであるため、加工された穴の真直度は、ほぼ従来ドリル並みに良好であった。また、切りくずは、ピック加工を行うことによって、円滑に排出することができた。さらに、１００穴加工した時点においてドリルの折損はなく、先端切れ刃（５）の損傷も軽微であり、工具寿命は従来ドリルとほぼ同等という結果が得られた。
【発明の効果】
以上のように、本発明の小径ドリルは、半導体製造部品などに用いられる単結晶シリコン，硬質ガラス，セラミックスなどの硬質脆性材料からなる板へ貫通する穴明け加工を行うことを目的とした小径ドリルであり、この発明の小径ドリルによれば、被削材である前記硬質脆性材料からなる板の厚みが増した場合に、前記ドリルのボデー（４）が加工した穴の内壁に干渉することなく、なおかつ、シャンク（３）が被削材である円板に干渉することなく、一方向から穴明け加工を行い貫通させることができるため、加工した穴の真直度が良好となる。また、本発明の小径ドリルは、フルート（６）の軸線方向の長さが従来ドリルとほぼ同一なので、ドリルの剛性低下が抑えられるため、ドリル折損などのトラブルが阻止され、結果として穴明け加工の信頼性が増す。さらに、本発明の小径ドリルは、フルート（６）の成形加工が従来ドリルと同等または同等以上に容易なため、従来どおりの製作技術水準で製作することができて、また、既に製作された従来ドリルの完成品に対して、ボデー（４）の軸線方向の長さを延長する加工を追加するだけで完成させることができるので、標準的な工具仕様である従来ドリルの完成在庫品のなかから必要本数のみを追加加工して顧客へ提供することができ、結果としてドリルの製作コストの上昇を抑制し、顧客ニーズへの即応が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の小径ドリルにおける第１の実施形態の正面図である。
【図２】図１の先端部拡大図である。
【図３】本発明の小径ドリルにおける第２の実施形態の正面図である。
【図４】従来の小径ドリルと本発明の小径ドリルの加工例を示す。
【図５】従来の小径ドリルの正面図である。
【符号の説明】
１　ドリル本体
２　焼結ダイヤモンド
３　シャンク
４　ボデー
５　先端切れ刃
６　フルート
７　マージン
８　フルートのシャンク側の終端部
９　ボデーのシャンク側の終端部
α　先端角
β　ねじれ角[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a small-diameter drill, for example, a small-diameter drill suitable for drilling a small-diameter hole and a deep hole in a hard brittle material such as a single crystal silicon plate.
[0002]
[Prior art]
A single crystal silicon plate used as one component of a semiconductor manufacturing apparatus is a disk having a thickness of 5 to 6 mm and an outer diameter of 200 to 300 mm, and a hole having a hole diameter of 0.4 mm or 0.6 mm. Some have 300 to 600 holes and are used as gas shower nozzles. The applicant of the present invention has disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-48016 as a small diameter drill intended to stably perform small diameter drilling on a hard brittle material such as a single crystal silicon plate, hard glass, or ceramic. There is a small diameter drill. FIG. 5 illustrates a typical shape of this small-diameter drill. A drill body (1) in the form of a stepped round bar is formed by integrally sintering a sintered diamond (2) at the tip of a cemented carbide. A pair of leading edge cutting edges (5) forming an angle (α) are formed, and a flute (6) with a twist is formed on the outer periphery of the drill body (1). α) is 80 ° to 100 °, and the flute (6) has a twist angle (β) of 15 ° to 25 °. Generally, a small-diameter drill used for drilling a multilayer board on which printed wiring boards are laminated has a tip angle (α) of 120 ° to 130 ° and a flute (6) twist angle (β) of 30 °. However, according to the small-diameter drill disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-48016, the tool life can be extended with respect to hard brittle materials such as single-crystal silicon plates, hard glass, and ceramics. In addition, the reliability of the drill breakage can be improved.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, a single crystal silicon plate used as one component of the above-described semiconductor manufacturing apparatus has been increased in thickness to 8 to 10 mm in order to improve the life due to consumption. . In order to secure rigidity, conventionally used drills generally have a body (4) whose length is only 3 to 10% longer than the length of the flute (6). For a single-crystal silicon plate having a thickness of 5 to 6 mm, a small-diameter drill having an axial length of the flute (6) of 7 mm and an axial length of the body (4) of 7.4 mm has been used. . Therefore, regarding the small-diameter drilling of the single-crystal silicon plate whose thickness has been increased to 8 to 10 mm as described above, the length of the body (4) is insufficient. I couldn't let it. Therefore, after drilling from one surface, the single crystal silicon plate is inverted, and if drilling is performed from the opposite back surface, it is possible to penetrate the hole. The straightness of the hole is impaired. In order to avoid this, as in the conventional case, in order to perform through-hole drilling from one direction, the axial length of the flute (6) needs to be at least 9 to 11 mm. Even if the drill being used is difficult to form, further increasing both the axial length of the flute (6) and the axial length of the body (4) is a current state of the art. However, it is extremely difficult to manufacture. Even if it can be manufactured, it is unavoidable that there will be problems with the dimensional accuracy of the drill, reliability in use, etc. As a result, the manufacturing cost will increase significantly due to a decrease in yield, the tool life of the drill will deteriorate, machining There arises a problem that the processing accuracy of the hole is deteriorated.
[0004]
Regarding drilling of a single crystal silicon plate, processing methods other than drilling with a small diameter drill are also introduced below. One is by ultrasonic processing. This is a tool made of a cemented carbide pin with an outer diameter equal to the diameter of the machined hole, implanted like a sword pin, and a water containing abrasive grains between the tool and the workpiece. Drilling can be advanced by advancing the tool that has been ultrasonically vibrated while pouring water. Since this method is basically a lapping process, there is a problem that a processing time is longer than a drilling process, and a hole having the same diameter cannot be made clear because a processing hole becomes tapered as the tool wears.
[0005]
Another example is a method using an electrodeposited whetstone in which abrasive grains are electrodeposited on a small-diameter drill. According to this method, the finished state of the inner wall surface of the hole is superior to drilling, but the processing time is also long, and when the diameter is reduced to about 0.6 mm or less, the radius of curvature of the outer surface of the drill is extremely small. As a result, the adhesiveness of the abrasive grains deteriorates, and a problem occurs that the tool life is short. In addition, the smaller the diameter, the larger the grain size of the abrasive grains as compared to the outer diameter of the drill, so that the variation in the abrasive grains tends to appear as the variation in the outer diameter of the drill. Further, if the abrasive grains fall off, the degree of change on the outer diameter of the drill increases.
[0006]
In both the ultrasonic processing and the processing using the electrodeposited whetstone, the straightness and the diameter accuracy of the processing hole are further deteriorated by forming a deep hole, and practical processing is difficult in terms of tool life.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and a pair of tip cutting edges (5) are formed at the tip of a drill body (1) in the shape of a round bar to form a tip angle (α) and face each other. A flute (6) with a twist is formed on the outer periphery of the drill body (1), and the drill body (1) has a sintered diamond (2) at the tip of a cemented carbide, or A small diameter drill in which a hard film is coated on the surface of a base material made of a cemented carbide, wherein the axial length of the body (4) is 30% or more longer than the axial length of the flute (6); In the range from the shank-side end portion (8) of the flute (6) to the shank-side end portion (9) of the body (4), the diameter of the body (4) is smaller than that of the tip cutting edge (5). A small diameter drill characterized by being smaller than a diameter. More specifically, the diameter of the tip cutting edge (5) is 0.1 to 2.0 mm, and the axial length of the flute (6) is 2 to 20 times the diameter of the tip cutting edge (5). The drill is characterized in that the tip angle (α) is 80 ° to 100 °, and the flute (6) has a twist angle (β) of 15 ° to 25 °. Also, in the present invention, in drilling using the small diameter drill, the axial length of the flute (6) in the drill is shorter than the depth of the hole to be drilled, and the drill advances in the feed direction. A so-called picking process, in which a so-called picking process is alternately repeated with a cutting process of performing a cutting operation and a retreating process of retracting in a feed direction to such an extent that the drill is completely removed from the hole.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the small diameter drill of the present invention, a sintered diamond (2) is used as a material of the tip cutting edge (5) and the margin (7). This is because high wear resistance can be obtained for hard brittle materials such as single crystal silicon, hard carbon, and ceramics that are used as one component in semiconductor manufacturing equipment, and a practical tool life can be obtained. It is. From the viewpoint of the manufacturing cost and the strength of the drill body (1), only the tip portion forming the margin (7) with the tip cutting edge (5) needs to have the sintered diamond (2). Since the adhesion strength between the cemented carbide and the sintered diamond (2) increases, it is preferable that the sintered diamond (2) be integrally sintered at the tip of the cemented carbide in the drill body (1). Alternatively, since a similar effect of increasing the wear resistance of the tip cutting edge (5) and the margin (7) is obtained, a drill body using a cemented carbide as a base material instead of the sintered diamond (2) The surface of (1) may be coated with a hard film and / or a lubricating film. Examples of the hard film include a titanium compound, a titanium aluminum compound, a hard carbon, an aluminum compound, and a titanium chromium compound. The titanium aluminum compound includes Si, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Zr, and Hf. May be. The lubricating film includes a molybdenum compound, a chromium compound, and a tungsten compound. Specifically, TiC, TiCN, TiN, TiCO, TiCNO, TiNO, TiAlC, TiAlCN, TiAlN, TiAlCO, TiAlCNO, TiAlNO, TiAlSiC, TiAlSiCN, TiAlSiN, TiAlSiCO, TiAlSiCNO, TiAlSiNO, TiAlCrC, TiAlCrN, TiAlCrN, TiAlCrN , there is TiAlCrNO, diamond, diamond-like carbon _{_{(DLC), Al 2 O 3}} , TiCrC, TiCrCN, TiCrN, TiCrCO, TiCrCNO, TiCrNO, MoS 2, CrN, such WS _2.
[0009]
In the process of drilling a through hole in a disk made of a hard brittle material such as single crystal silicon, hard carbon, and ceramics used as one component of a semiconductor manufacturing apparatus, the thickness of the disk, that is, the thickness of the work material is increased. Accordingly, when the hole to be processed is deepened, as described above, in order to increase the straightness of the hole, it is preferable to perform the drilling from one direction to penetrate the hole. Accordingly, in the drill used, it is necessary to increase the axial length of the flute (6) and the axial length of the body (4) to an extent corresponding to the increase in the depth of the hole to be machined. As a result, the drill stiffness is reduced. Therefore, in the small-diameter drill according to the present invention, the axial length of the flute (6) is set to be 2 to 20 times or less the diameter of the tip cutting edge (5). As a result, the axial length of the flute (6), which is a main cause of the rigidity of the drill, is suppressed to be equal to or less than that of the conventional drill, and the rigidity of the drill is prevented from being reduced. And the stability of drilling as a drill can be secured. With respect to the hole to be machined, the bending of the drill due to the load during machining is suppressed, so that the hole has a small bending and a good straightness. At the same time, in manufacturing, the flute (6) can be formed with the same level of manufacturing technology as the conventional drill, because the forming process of the flute (6) is as easy as or higher than that of the conventional drill, thereby suppressing an increase in manufacturing cost. In the drilling using the drill of the present invention, the axial length of the flute (6) of the drill is shorter than the depth of the hole to be drilled. A state of completely sunk into the hole occurs. However, a so-called picking process is performed in which the cutting process in which the drill advances in the feed direction and the retracting process in which the drill retreats in the feed direction to such an extent that the drill is completely removed from the hole are alternately repeated. Since the amount of feed per one cutting process is small, the generated chips are small and finely divided, so that the axial length of the flute (6) of the drill is set at the tip cutting edge (5). If the diameter is not less than twice the diameter of the flute (6), the chips can be retained in the flute (6) in the cutting process, and the chips can be removed from the flute (6) in the evacuation process after the cutting process. It can be discharged out of the hole, and smooth chip discharge is realized.
[0010]
The axial length of the body (4) of the drill must be set longer than the depth of the hole to be machined so that the shank (3) does not interfere with the workpiece. However, since the desired depth of the hole is not uniform and varies, the drill of the present invention actually requires the desired hole at the machining site where this type of drill is used. Considering the current depth and securing the rigidity of the drill, the axial length of the body (4) should be the maximum value of the axial length of the flute (6) (the tip cutting edge). The length is set to be at least 30% (2.6 times the diameter of the tip cutting edge) longer than (20 times the diameter). Below this, the drill has sufficient rigidity but may not be able to penetrate a hole of the desired depth. On the other hand, when the length of the flute (6) in the axial direction is minimum (twice the diameter of the leading edge cutting edge), the length of the body (4) in the axial direction is longer than when the length is maximum. Even when the length is the same, the rigidity of the drill is sufficiently high, so that the axial length of the body (4) increases by 30% with respect to the axial length of the flute (6). As a guide of the maximum value, the length can be set as long as about 20 times the length of the flute (6) in the axial direction, and deeper drilling can be performed.
[0011]
The body (4) of the drill must have a diameter smaller than the diameter of the hole to be machined, that is, the diameter of the tip cutting edge (5), so as not to interfere with the inner wall of the machined hole. Therefore, in the drill of the present invention, the diameter of the body (4) in the range from the shank-side end portion (8) of the flute (6) to the shank-side end portion (9) of the body (4) is increased. It is set smaller than the diameter of the cutting edge (5).
[0012]
Further, according to the drill of the present invention, when the desired depth of the hole is increased in the drilling process using the conventional drill, the length of the body (4) in the axial direction is made smaller than that of the conventional drill. By simply adding the elongation process, the flute (6) can be completed without any processing, so only the required number of additional drills can be machined from the conventional drill complete inventory, which is a standard tool specification. The drill can be provided to the customer, and the production cost of the drill can be reduced, and the customer's needs can be promptly responded.
[0013]
In the drill of the present invention, the diameter of the tip cutting edge (5) is in the range of 0.1 to 2.0 mm. However, if the diameter is smaller than 0.1 mm, there is a problem of drill breakage due to insufficient rigidity due to reduced strength of the drill. When the diameter is larger than 2.0 mm, the damage to the single crystal silicon plate as the work material is increased, so that the chip is generated at the entrance and the exit of the hole, or the single crystal is not formed. This is because the silicon plate itself may be damaged.
[0014]
In the small-diameter drill of the present invention, by setting the tip angle (α) to 80 ° to 100 °, the thrust resistance at the time of drilling is reduced, and the load on the drill is reduced. In comparison with a drill having the same diameter of the tip cutting edge (5), a tip having a smaller tip angle has a longer cutting edge length, so that the load per unit cutting edge length is reduced accordingly. Blade wear is suppressed. If the tip angle (α) is too small, problems such as insufficient strength of the chisel edge and difficulty in obtaining the lip height accuracy occur. Therefore, the tip angle (α) is preferably 80 ° or more.
[0015]
Further, by setting the twist angle (β) of the flute (6) to 15 ° to 25 °, the rake angle of the tip cutting edge (5) becomes small, and the edge strength is increased. In addition, as the torsion angle (β) decreases, the cross-sectional area in the direction perpendicular to the axis increases in the range where the flute (6) is provided, and as a result, the strength of the body (4) increases. Thus, the reliability against breakage is improved. However, if the helix angle (β) is too small, the sharpness and the chip evacuation are reduced, so that the helix angle (β) is preferably 15 ° or more.
[0016]
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a shape of a first embodiment of the present invention as viewed from the front, and FIG. 2 shows an enlarged view of a front end portion. The drill body (1) is formed by integrally sintering a sintered diamond (2) at the tip of a round bar-shaped cemented carbide. As a material of the tip cutting edge (5), a sintered diamond having high wear resistance is preferable, but a similar effect of increasing the wear resistance of the tip cutting edge (5) and the margin (7) is obtained. Therefore, instead of the sintered diamond (2), the surface of the drill body (1) using a cemented carbide as a base material may be coated with a hard film and / or a lubricating film. Examples of the hard film include a titanium compound, a titanium aluminum compound, a hard carbon, an aluminum compound, and a titanium chromium compound. The titanium aluminum compound includes Si, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Zr, and Hf. May be. The lubricating film includes a molybdenum compound, a chromium compound, and a tungsten compound. Specifically, TiC, TiCN, TiN, TiCO, TiCNO, TiNO, TiAlC, TiAlCN, TiAlN, TiAlCO, TiAlCNO, TiAlNO, TiAlSiC, TiAlSiCN, TiAlSiN, TiAlSiCO, TiAlSiCNO, TiAlSiNO, TiAlCrC, TiAlCrN, TiAlCrN, TiAlCrN , there is TiAlCrNO, diamond, diamond-like carbon _{_{(DLC), Al 2 O 3}} , TiCrC, TiCrCN, TiCrN, TiCrCO, TiCrCNO, TiCrNO, MoS 2, CrN, such WS _2. The drill body (1) has a stepped round bar composed of a shank (3) and a body (4), and a connecting portion between the shank (3) and the body (4) has a tapered shape. FIG. 3 shows the shape of the second embodiment viewed from the front, but as shown in this figure, the shape of the end face of the shank (3) in the connection portion may be a plane perpendicular to the axis. The shank (3) has a thickness that fits into the tool holder, and a pair of tip cutting edges (5) are formed at the tip of the body (4) so as to face the center axis of the drill. A tip angle (α) formed by projecting the tip cutting edge (5) on a parallel plane passing through the central axis is formed, and a torsion angle (β) is formed behind the tip cutting edge (5) along the outer periphery of the body (4). A flute (6) with a twist is provided with a tip margin (7). The length of the body (4) in the axial direction is 30% or more longer than the length of the flute (6) in the axial direction, and the length of the flute (6) in the axial direction is equal to the length of the tip cutting edge (5). ) Of the body (4) in the range from the shank-side end portion (8) of the flute (6) to the shank-side end portion (9) of the body (4). Is formed smaller than the diameter of the tip cutting edge (5).
[0017]
A typical processing method for making a hole in a single crystal silicon plate using a small diameter drill will be described below. First, a kneading operation is performed with a drill having a large diameter of the tip cutting edge (5) so that a breakage accident does not occur. When a shallow center hole is provided by rubbing, the tool is changed to a small-diameter drill having a desired diameter of the cutting edge (5), and drilling is performed while water is supplied as a working fluid from the outside. At this time, in order to prevent breakage, the holes are picked without being drilled at once.
[0018]
FIG. 4 shows a working example of the small-diameter drill of the present invention performed according to the above-described typical working method. 4 shows a processing example in the conventional drill, and the right drawing shows a processing example in the drill of the present invention. As shown in FIG. 4, this small-diameter drill has a body (4) whose length is reduced from 7.4 mm by additional processing to a conventional drill used for drilling a single-crystal silicon plate having a thickness of 5 mm. 11 mm, the length of the flute (6) remains 7 mm, and the shank-side end (9) of the body (4) extends from the shank-side end (8) of the flute (6). ), The diameter of the body (4) is smaller than the diameter of the tip cutting edge (5). The axial length of the flute (6) is appropriately selected within a range of 2 to 20 times the diameter of the tip cutting edge (5) according to the cutting performance of the drill and the chip discharging performance. The length of the body (4) in the axial direction is also 30% or more longer than the length of the flute (6) in the axial direction. More specifically, the length is appropriately selected depending on the desired depth of the hole and the cutting performance of the drill. . The same sintered diamond (2) as the conventional drill is used at the tip of the drill, and the diameter of the cutting edge (5) is 0.5 mm. The work material is a single-crystal silicon plate having a thickness of 10 mm. First, in the kneading operation, a drill having a tip cutting edge diameter of 1 mm and a sintered diamond integrally formed at the tip is used, and a center hole having a depth of 0.05 mm is drilled. Thereafter, drilling is performed using the above-described small-diameter drill of the present invention. As cutting conditions, the number of rotations of the drill is 15000 rpm, the feed is 15 mm / min, and the drill is processed to a depth of 0.5 mm at the first time. Thereafter, picking is performed with a feed amount of 0.1 mm per cutting process. After the tip cutting edge (5) has penetrated the single-crystal silicon, the drill is further fed in a feed direction by 0.5 mm as a penetration amount.
[0019]
As a result of performing a machining test under such cutting conditions, the small-diameter drill of the present invention can be machined under the same cutting conditions as the conventional drilling of a single-crystal silicon plate having a thickness of 5 mm. Was. In the small diameter drill of the present invention, the length of the flute (6) in the axial direction is kept the same as that of the conventional drill and the rigidity is slightly reduced. The degree was almost as good as conventional drills. In addition, the chips could be smoothly discharged by picking. Further, at the point when 100 holes were drilled, there was no breakage of the drill, the damage of the tip cutting edge (5) was also slight, and the result that the tool life was almost equal to that of the conventional drill was obtained.
【The invention's effect】
As described above, the small-diameter drill according to the present invention is a small-diameter drill for performing drilling through a plate made of a hard brittle material such as single-crystal silicon, hard glass, or ceramics used for a semiconductor manufacturing part or the like. According to the small-diameter drill of the present invention, when the thickness of the plate made of the hard and brittle material as the work material increases, the body (4) of the drill does not interfere with the inner wall of the processed hole. In addition, since the shank (3) can be drilled and penetrated from one direction without interfering with the disk serving as the work material, the straightness of the drilled hole is improved. Further, in the small diameter drill of the present invention, since the axial length of the flute (6) is substantially the same as that of the conventional drill, a decrease in the rigidity of the drill is suppressed, so that troubles such as breakage of the drill are prevented, and as a result, drilling is performed. Increases the reliability. Further, the small-diameter drill of the present invention can be manufactured with the same level of manufacturing technology as the flute (6), because the forming process of the flute (6) is as easy as or equal to that of the conventional drill. The completed drill can be completed simply by adding a process to extend the length of the body (4) in the axial direction, so that it can be completed from the stock of the conventional drill, which is a standard tool specification. Only the required number can be additionally processed and provided to the customer. As a result, an increase in drill manufacturing cost can be suppressed, and prompt response to customer needs can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a small diameter drill according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a distal end portion of FIG.
FIG. 3 is a front view of a small diameter drill according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a processing example of a conventional small diameter drill and a small diameter drill of the present invention.
FIG. 5 is a front view of a conventional small diameter drill.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Drill main body 2 Sintered diamond 3 Shank 4 Body 5 Tip cutting edge 6 Flute 7 Margin 8 Flute shank side terminator 9 Body shank side terminator α Tip angle β Helix angle

Claims

A pair of tip cutting edges (5) are formed at the tip of the drill body (1) in the shape of a round bar to form a tip angle (α) and face each other. A twist is formed on the outer periphery of the drill body (1). An accompanying flute (6) is formed, and the drill body (1) is a small-diameter drill having a sintered diamond (2) at the tip of a cemented carbide. The length of the flute (6) is at least 30% longer than the axial length of the flute (6) and extends from the shank-side end portion (8) of the flute (6) to the shank-side end portion (9) of the body (4). A small-diameter drill, wherein the diameter of (4) is smaller than the diameter of the tip cutting edge (5).

A pair of tip cutting edges (5) are formed at the tip of the drill body (1) in the shape of a round bar to form a tip angle (α) and face each other. A twist is formed on the outer periphery of the drill body (1). An accompanying flute (6) is formed, and the drill body (1) is a small-diameter drill in which a hard film and / or a lubricating film is coated on a surface of a base material made of a cemented carbide. The length of the flute (6) is 30% or more longer than the axial length of the flute (6), and the shank-side end (9) of the body (4) extends from the shank-side end (8) of the flute (6). A diameter of the body (4) is smaller than a diameter of the tip cutting edge (5).

The small-diameter drill according to claim 1, wherein an axial length of the flute (6) is 2 to 20 times a diameter of the tip cutting edge (5).

The small-diameter drill according to claim 1, wherein the diameter of the tip cutting edge is from 0.1 to 2.0 mm. 4.

The small-diameter drill according to claim 1, wherein the tip angle (α) is 80 ° to 100 °.

The small-diameter drill according to claim 1, wherein a twist angle (β) of the flute (6) is 15 ° to 25 °.

The small diameter drill according to claim 1, wherein a sintered diamond (2) at a tip of the cemented carbide is sintered integrally with the drill body (1).

In drilling using a small diameter drill according to any one of claims 1 to 7, the axial length of the flute (6) is shorter than the depth of the hole to be drilled, and the drill advances in the feed direction. A so-called picking process, wherein a so-called picking process is alternately repeated between a cutting process for performing the cutting operation and a retreating process for retracting the drill in the feed direction to such an extent that the drill is completely removed from the hole.