JP2004322290A

JP2004322290A - ワイヤーソー

Info

Publication number: JP2004322290A
Application number: JP2003124164A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Orita; 伸昭折田; Akira Yamada; 彰山田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】ワイヤ芯の周囲に砥粒が砥粒結合材により固着されたワイヤーソーの切断効率と砥粒の脱落のし難さのトレードオフを解消し、材料の切断効率が良く、砥粒の脱落が置きにくいものを提供する。
【解決手段】砥粒保持材２はガラス転移温度が５０〜２００℃かつ材料非切断時の弾性率が５００ＭＰａ以上であって、材料非切断時の前記砥粒３の前記砥粒保持材２からの平均突出量が前記砥粒の平均粒径の１〜３０％であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体インゴット、水晶、サファイアなどの硬脆材料、金属を切断加工するためのワイヤーソーに関するものである。特に、本発明はこのワイヤーソーに関し、切断効率を向上させたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンインゴットをはじめとする半導体インゴット、水晶、サファイアなどの硬脆材料をスライス切断しウェハ状の板を作製する場合、ダイヤモンド内周歯が主に用いられてきた。しかしながら、近年これらの材料の径が大きくなっているのでワイヤーソーがダイヤモンド内周歯にとってかわりつつある。
【０００３】
図２にワイヤーソー５の断面構造を示す。このワイヤーソー５は、ワイヤー芯１の表面に砥粒３を砥粒保持材２でもって固着させている。ワイヤー芯１は主に、ピアノ線などの金属線が用いられ、砥粒保持材２はフェノール樹脂といった熱硬化性の樹脂が用いられる。砥粒３はダイヤモンド、ＣＢＮ、ＳｉＣといった硬質粒を用い、砥粒保持材２との密着を良くするために、砥粒３の表面に金属めっきを施すことがある。
【０００４】
さらに、砥粒３には上記硬質粒にフィラーと呼ばれるＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の微小粉末を混入させる。これにより、砥粒保持材２の強度、磨耗性を向上させることができる。また、砥粒保持材２のワイヤー芯１への密着性を向上させるため、金属からなるワイヤー芯１の表面に予め金属との接合性の良いエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂等の樹脂で予め被覆をし、一次被覆層４の形成を施すことが行われる（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２４６５４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にワイヤーソー５は、砥粒３が砥粒保持材２から突出しているほど、材料の切断効率が向上する。しかしながら、砥粒３が突出しすぎると、今度は砥粒３が脱落しやすくなるので、切断効率と砥粒３の脱落の易さはトレードオフの関係がある。そのため、砥粒３が脱落しないように砥粒３をある程度砥粒保持材２へ埋設させる必要があり、材料の切断効率を向上させることが困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、ワイヤ芯の周囲に砥粒が砥粒結合材により固着されたワイヤーソー５の切断効率と砥粒３の脱落のし易さのトレードオフを解消し、材料の切断効率が良く、かつ、砥粒３の脱落が起きにくいものを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した問題を解決するために、本発明の第一は請求項１に記載のように、ワイヤ芯１の周囲に砥粒３を含有してなる砥粒結合材２が形成されたワイヤソーにおいて、前記砥粒結合材２はガラス転移温度が５０〜２００℃かつ材料非切断時の弾性率が５００ＭＰａ以上であって、材料非切断時の前記砥粒３の砥粒結合材２からの平均突出量が前記砥粒３の平均粒径の１〜３０％であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第一によれば、砥粒結合材２の軟化が始まる温度は５０〜２００℃であるため、材料切断時のワイヤーソー５の温度と合致する。そのため、材料切断時においては、砥粒結合材２が軟化し、砥粒３が砥粒結合材２から突出するようになり、材料の切断効率が向上する。また、材料非切断時の砥粒結合材２の弾性率が適度に大きいため、砥粒３が砥粒結合材２に確実に保持され、その脱落を防ぐことができる。さらに、材料非切断時の砥粒３の砥粒結合材２からの突出量が適度に最適化されているため、ワイヤーソー５の切断効率と砥粒３の脱落のし易さのトレードオフを解消することができる。
【００１０】
本発明の第二は請求項２に記載のように、砥粒結合材２のベース樹脂が紫外線硬化型樹脂であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第二によれば、砥粒結合材２に紫外線硬化型樹脂を用いているため、その硬度が材料切断時には下がることで材料切断時には砥粒３が砥粒結合材２から突出し、材料の切断効率が向上する。また、材料非切断時には硬化するため、砥粒３が砥粒結合材２に埋め込まれるようなり、その脱落を防ぐことができる。
【００１２】
本発明の第三は請求項３に記載のように、前記ワイヤ芯１が一次被覆層４により一次被覆されていることを特徴とする
【００１３】
本発明の第三によれば、ワイヤ芯１が一次被覆層４により一次被覆されているため、材料切断時の砥粒３の突出量を適切に保つことができるようになり、切断効率が向上する。
【００１４】
本発明の第四は請求項４に記載のように、前記一次被覆層４が紫外線硬化型接着剤であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第四は一次被覆層４が紫外線硬化型接着剤であるため、砥粒結合材２に紫外線硬化型樹脂を用いた場合には、これよりも硬くなる。そのため、材料切断時には砥粒３が一次被覆層４に適度に食い込み、砥粒３の突出量を適切に保つことができるとともに、材料切断時の砥粒３の脱落を防ぐこともできる。
【００１６】
本発明の第五は請求項５に記載のように、前記一次被覆層４と前記ワイヤ芯１との密着力が１０Ｎ以上であり、かつ、前記一次被覆層４の厚さが１〜１０μｍであることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第五では、一次被覆層４の厚さが適度に最適化されているので、材料切断時の砥粒３の一次被覆層４への食い込みを適切にすることができる。そのため、砥粒３の突出量を適切に保つことができるとともに、材料切断時の砥粒３の脱落を防ぐこともできる。また、一次被覆層４のワイヤ芯１への密着力が適度に大きいため、切断効率を向上させることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明のワイヤーソー５の基本形態は、図２に示すように従来の形態のワイヤーソー５と同様にワイヤ芯１の周囲に砥粒３が砥粒結合材２により固着されたものである。
【００１９】
ワイヤー芯１は主に、ピアノ線などの金属線が用いられ砥粒３はダイヤモンド、ＣＢＮ、ＳｉＣといった硬質粒を用い、必要に応じてＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の微小粉末からなるフィラーを混入させる。また、砥粒保持材２との密着を良くするために、砥粒３の表面に金属めっきを施しても良い。
【００２０】
本発明に係るワイヤーソー５は、砥粒保持材２が従来技術のものと異なる。すなわち、砥粒保持材２は、室温においてはその全体が硬化し、材料の切断を行うことにより発生する熱によりその全体が軟化する性質を有するものを用いる。なお、砥粒保持材２は非切断時の室温から切断時の温度、及び切断時の温度から非切断時の室温にいたるサイクルを繰り返しても、軟化・硬化の変化が再現する熱可逆的な性質を有するものを用いる。さらに軟化時においても、十分な砥粒３の保持を確保するため、室温時の弾性率が５００ＭＰａ以上のものを用いるのが好ましい。
【００２１】
砥粒保持材２が軟化を開始する温度は材料切断時の温度を考慮して５０〜２００℃の範囲であることが望ましく、製造工程の簡略化のために、単一種の層からなるものを用いるのが好ましい。以上の条件を満たす砥粒保持材２のベース樹脂には、紫外線硬化型樹脂があげられるがこれに限られるものではない。
【００２２】
かかる砥粒保持材２からなるワイヤーソー５の機能について説明する。
まず材料を切断前のワイヤーソーについて説明する。図１（ａ）のように室温の状態では、硬化している砥粒保持材２でもって砥粒３をできるだけ埋め込むように固着させる。これにより、非切断時におけるワイヤーソー５の砥粒３の脱落をできるだけ防ぐようにする。なお、砥粒３の最適な埋め込み程度は以下の実施例において説明する。
【００２３】
以上の構成からなるワイヤーソー５を用いて材料６の切断を開始するとワイヤーソー５は摩擦による熱が発生し、その熱で砥粒保持材２の全体が軟化する。なお、材料６を切削中のワイヤーソー５は、ワイヤーソー５の進行方向に面した砥粒保持材２が材料６により押圧される。図１（ｂ）に示したように、押圧された砥粒保持材２は沈降し、砥粒３が砥粒保持材２から突出するようになる。
【００２４】
こういったことにより、材料６の切断時のワイヤーソー５は、ワイヤーソー５の進行方向に面する砥粒３が砥粒保持材２から非切断時の状態よりも突出するため、切断効率を向上させることができる。さらに、材料６の切断が終了すると、ワイヤーソー５は冷却され、軟化・硬化の変化の再現が熱可逆的である砥粒保持材２は硬化しようとするので、沈降していた砥粒保持材２は隆起し切断前の状態に戻ろうとする。したがって、砥粒３は再び砥粒保持材２に埋め込まれることになり、砥粒３の脱落を防ぐことができる。
【００２５】
上述したワイヤーソー５の切断効率をさらに向上させるための形態についても説明する。この形態のワイヤーソー５は図２のように、ワイヤー芯１を一次被覆層４で被覆してある。一次被覆層４は材料６を切断中の砥粒保持材２よりも硬く、ワイヤー芯１よりも軟らかい。このワイヤーソー５は材料６を切断中は、ワイヤーソー５の進行方向に面した砥粒３が材料６により押圧され、これが一次被覆層４に食い込むようになる。
【００２６】
しかしながら、一次被覆層４は砥粒保持材２よりも硬いため、適度な位置までで食い込むのにとどまる。そのため、材料６の切断中のワイヤーソー５の砥粒３の突き出し量を適切に確保することができる。このように、本発明の形態に係る一次被膜層４は従来の一次被膜層と異なり、砥粒保持材２のワイヤー芯１への密着性を向上させる以外の作用をも奏する。
【００２７】
かかる一次被覆層４の材料として、紫外線硬化型接着剤があげられる。なお、一次被覆層４の最適な厚さ、ワイヤー芯への最適な密着力の程度は以下の実施例において説明する。
【００２８】
（実施例）
本発明の実施に係るワイヤーソー５は、図２に示したように、表面にブラスめっきを施したφ０．１６ｍｍのピアノ線からなるワイヤー芯１に紫外線硬化型接着剤からなる一次被覆層４でもって被覆してある。一次被覆層４の表面に平均粒径１μｍのアルミナ粒子からなるフィラー１０ｗｔ％と平均粒径４０μｍのダイヤモンド砥粒３を２０ｗｔ％混合したものに、砥粒保持材２となる紫外線硬化型樹脂を被膜して外形が略２４０μｍのワイヤーソー５を製作した。
【００２９】
ここで、一次被覆層４となる紫外線硬化型接着剤はワイヤー芯１を構成するピアノ線よりも軟らかく、砥粒保持材２となる紫外線硬化型樹脂よりも硬い。さらに、砥粒保持材２となる紫外線硬化型樹脂は所定温度（ガラス転移温度）を超えると軟化し、再び温度を下げると硬化するという変化が可逆的に発生するものである。
【００３０】
（一次被覆層のワイヤー芯への密着力の最適化）
ワイヤーソー５の設計として、まず、一次被覆層４のワイヤー芯１への密着力の最適化を行った。ここで、一次被覆層４（厚さ５μｍ）のワイヤー芯１への密着力の異なる長さが２０ｍの４種類のワイヤーソー５を用意した。
【００３１】
一次被覆層４のワイヤー芯１への密着力は図３のような器具を用いて測定した。すなわち、ワイヤーソー５の端部から数１０ｃｍの長さにわたって一次被覆層４と砥粒保持材２を剥ぎ取り、φ０．１６５ｍｍの引き抜きジグ７にワイヤーソー５を通し、ジグ７を固定した状態でワイヤー芯１を引っ張った。そして、ジグ７によって、残余の一次被覆層４と砥粒保持材２が剥がされる力を測定した。
【００３２】
これらのワイヤーソー５について、線速３００ｍ／分で往復運動させながら径φ１２５ｍｍのシリコンインゴットからなる材料５を１５０ｇの力で押さえつけながら３０分間切断加工を行った。そして、切断終了後、一次被覆層４と砥粒保持材２の剥がれの箇所を数えた。
【００３３】
【表１】

【００３４】
以上のように、紫外線硬化型接着剤からなる一次被覆層４のワイヤー芯への密着力が１０Ｎ以上、好適には１２Ｎ以上のものを用いると材料を切断後のワイヤーソー５の一次被覆層４と砥粒保持材２の剥がれを防ぐことができる。
【００３５】
（一次被覆層の厚さの最適化）
一次被覆層４のワイヤー芯１への密着力の最適化を行った後、一次被覆層４の厚さの最適化を行った。ここで、一次被覆層４となる紫外線硬化型接着剤は２種類用意し（シェア硬度ＨＤ６５とシェア硬度ＨＤ８０のもの。）、一次被覆層４の厚さを５、１０、１５μｍと変化させたワイヤーソー５を合計６種類製作した。
【００３６】
一次被覆層４の厚さの最適化は、切断速度の速さを評価することにより行った。実際の材料切断は、長さ２０ｍのワイヤーソー５を線速３００ｍ／分で往復運動させながら径φ１２５ｍｍのシリコンインゴットからなる材料６を１５０ｇの力で押さえつけながら３０分間切断加工を行い、切断速度の平均を求めた。
【００３７】
【表２】

【００３８】
以上の結果のように、一次被覆層４となる紫外線硬化型接着剤の厚さは、概ね１０μｍ以下にすることにより、良好な加工効率を得られ、薄いほど良いことが判明した。ただし、一次被覆層４の厚さが薄すぎると、均一な被覆が困難となり、ワイヤー芯１への密着力が低下するので、１〜５μｍが適当である。
【００３９】
（砥粒結合材の材料非切断時の弾性率、軟化温度の最適化）
一次被覆層４の最適化を行った後、砥粒結合材２の最適化を行った。ここで、砥粒結合材２となる紫外線硬化型樹脂の非切断時の弾性率とガラス転移温度を変化させて、弾性率、軟化温度の最適化を行った。なお、材料を切断しない状態での砥粒３の砥粒結合材２からの突出量は砥粒３の径の１０％程度となるようにし、非切断時の砥粒３の脱落を防ぐようにした。ここで、突出量とは、図２のように砥粒３の砥粒結合材２からの隆起量ｔである。
【００４０】
以下のパラメータを変化させた長さ２０ｍのワイヤーソー５を線速３００ｍ／分で往復運動させながら径φ１２５ｍｍのシリコンインゴットからなる材料５を１５０ｇの力で押さえつけながら３０分間切断加工を行い、切断速度の平均を求めた。
【００４１】
【表３】

【００４２】
以上の結果より、材料非切断時の紫外線効果樹脂の弾性率が５００ＭＰａ以下ではサンプルＥは砥粒３の保持力がなく、切断ができなかった。また、サンプルＡ、Ｃ、Ｄでは弾性率が高くなるほど砥粒３の保持力が強く、切断速度も向上する。
【００４３】
また、非切断時の砥粒３の脱落を防ぐために、非切断時の砥粒３の砥粒結合材２からの突出量ｔを少なくしても、切断時における熱の発生により、砥粒結合材２が軟化・沈降することにより、切断時の砥粒３の突出量を大きくすることができた。そのため、良好な材料の切断効率を得ることができた。
【００４４】
ここで、砥粒結合材２のガラス転移温度は、材料の切断時に発生する熱を考慮して、２００℃以下が好ましい。サンプルＢのようにガラス転移温度が２００℃を超える紫外線硬化型樹脂を用いると、切断中においても軟化・沈降しないため、材料を切断するために必要な砥粒３の突出量を確保できず、良好な切断効率を得ることができなかった。
【００４５】
（砥粒の砥粒結合材からの突出量ｔの最適化）
次に、上述したサンプルＡを構成する紫外線硬化型樹脂を用い、砥粒３の突出量ｔを変化させたワイヤーソー５を複数本製作し、同様の切断方法により切断速度の測定を行った。
【００４６】
【表４】

【００４７】
以上の結果のように、材料非切断時の砥粒３の突出量ｔが１０μｍ程度であって、これが、砥粒３の径の２５％のときに最も良好な切断効率が得られた。突出量ｔをこれ以上にすると、切断時の砥粒３の脱落が増えるため、切断効率が低下した。
【００４８】
さらに、上述したサンプルＤを構成する紫外線硬化型樹脂を用い、砥粒３の突出量ｔを変化させたワイヤーソー５を複数本製作し、同様の切断方法により切断速度の測定を行った。
【００４９】
【表５】

【００５０】
以上の結果のように、材料非切断時の砥粒３の突出量ｔが５μｍ程度であって、これが、砥粒３の径の１６．７％のときに最も良好な切断効率が得られた。突出量ｔをこれ以上にすると、砥粒３の脱落が増えるため、切断効率が低下した。以上２つの最適化により、非切断時の砥粒３の砥粒結合材２からの突出量ｔが砥粒３の径の１％〜３０％のときに良好な切断効率が得られることが判明した。
【００５１】
（本発明に係るワイヤーソーの製造方法）
以上説明したワイヤーソー５は図４に示した装置を用いて製造した。
まず、サプライボビン８に巻かれたワイヤー芯１はガイドローラ９を通して、キャプスタン１０により引き出される。次に、必要に応じてダイスのような被覆手段１１ａによりワイヤー芯１に紫外線硬化型接着剤などの一次被覆を施し、紫外線照射装置や熱硬化炉のような樹脂硬化装置１２ａにより一次被覆層４が形成される。
【００５２】
次に、ダイヤモンドからなる砥粒３とＡｌ_２Ｏ_３からなるフィラー及び砥粒保持材２となる紫外線硬化型樹脂を混合した混合溶液１３をダイスのような被覆手段１１ｂにより一次被覆層４の上に塗布し、紫外線照射装置や熱硬化炉のような樹脂硬化装置１２ｂにより硬化させ、ワイヤーソー５が完成する。完成したワイヤーソー５は、レーザ外形測定器１４により外形を測定された後、ガイドローラ１５、ダンサローラ１６を通して巻取りボビン１７に巻き取られる。
【００５３】
以上のようにワイヤー芯１としてはピアノ線を用いていたがこれに限られるものではなく、ガラス繊維、カーボン繊維といった無機化合物による高張力線、またはこれらの撚線を用いることもできる。さらに、砥粒保持材２のベース樹脂として紫外線硬化型樹脂を用いていたが、硬度が材料切断時には軟化、材料非切断時には硬化するものであれば何でも適用できる。
【００５４】
また、砥粒３としては、ダイヤモンドの他に、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）、ＳｉＣ（炭化珪素）等を用いることもでき、フィラーとしては、Ａｌ_２Ｏ_３の他に、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ等の無機粉末や、金属粉末を用いることも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、砥粒結合材の軟化が始まる温度は５０〜２００℃であるため、材料切断時のワイヤーソーの温度と合致する。そのため、材料切断時においては、砥粒結合材が軟化し、砥粒が砥粒結合材から突出するようになり、材料の切断効率が向上する。また、材料非切断時の弾性率は５００ＭＰａ以上と弾性率が適度に大きいため、砥粒が砥粒結合材に確実に保持され、その脱落を防ぐことができる。
【００５６】
さらに材料非切断時の砥粒の砥粒結合材からの突出量が砥粒の径の１〜３０％と適度に最適化されている。そのため、ワイヤーソーの切断効率と砥粒の脱落のし易さのトレードオフを解消することができる。
【００５７】
請求項２の発明によれば、砥粒結合材が紫外線硬化型樹脂であるため、その硬度が材料切断時には低下する。そのため、材料切断時には砥粒が砥粒結合材から突出するようになり、材料の切断効率が向上する。また、紫外線硬化型樹脂の軟化・硬化の変化が熱可逆的であるため、材料非切断時には再び硬化し、砥粒が砥粒結合材に埋め込まれる。そのため、砥粒の脱落を防ぐことができる。
【００５８】
請求項３の発明によれば、ワイヤ芯が一次被覆層により一次被覆されているため、材料切断時の砥粒の突出量を適切に保つことができ、切断効率が向上する。
【００５９】
請求項４の発明によれば、一次被覆層が紫外線硬化型接着剤であるため、材料切断時には砥粒が一次被覆層に適度に食い込み、砥粒の突出量を適切に保つことができるとともに、材料切断時の砥粒の脱落を防ぐこともできる。
【００６０】
請求項５の発明によれば、一次被覆層の厚さが１〜１０μｍと厚さが適度に最適化されている。そのため、材料切断時の砥粒の一次被覆層への食い込みを適切にすることができる。そのため、砥粒の突出量を適切に保つことができるとともに、材料切断時の砥粒の脱落を防ぐこともできる。また、一次被覆層とワイヤ芯との密着力が１０Ｎ以上であるため、ワイヤ芯への密着が強固となり、切断効率を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るワイヤーソーの原理である。（ａ）は材料非切断時の状態、（ｂ）は材料切断中の状態である。
【図２】本発明及び従来の技術に係るワイヤーソーの断面図である。
【図３】本発明に係るワイヤーソーの一次被覆層のワイヤー芯への密着力を測定するための器具である。
【図４】本発明に係るワイヤーソーを製造するための装置である。
【符号の説明】
１ワイヤー芯
２砥粒保持材
３砥粒
４一次被覆層
５ワイヤーソー
６材料
７ジグ
８サプライボビン
９ガイドローラ
１０キャプスタン
１１被覆手段
１２樹脂硬化装置
１３混合溶液
１４レーザ外形測定器
１５ガイドローラ
１６ダンサローラ
１７巻取りボビン

Claims

ワイヤ芯の周囲に砥粒を含有してなる砥粒保持材が形成されたワイヤソーにおいて、前記砥粒保持材はガラス転移温度が５０〜２００℃かつ材料非切断時の弾性率が５００ＭＰａ以上であって、材料非切断時の前記砥粒の前記砥粒保持材からの平均突出量が前記砥粒の平均粒径の１〜３０％であることを特徴とするワイヤソー。
前記砥粒保持材のベース樹脂が紫外線硬化型樹脂であることを特徴とする請求項１記載のワイヤソー。
前記ワイヤ芯が一次被覆層により一次被覆されていることを特徴とする請求項１または２記載のワイヤソー。
前記一次被覆層が紫外線硬化型接着剤であることを特徴とする請求項３記載のワイヤソー。
前記一次被覆層と前記ワイヤ芯との密着力が１０Ｎ以上であり、かつ、前記一次被覆層の厚さが１〜１０μｍであることを特徴とする請求項３または請求項４記載のワイヤソー。