JP2005289703A - ダイヤモンドスクライバー及びダイヤモンドスクライバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切れ刃が耐摩耗性に優れ、かつ欠損しにくく、長寿命である上、製造コストが低いダイヤモンドスクライバー及びその製造方法を提供する。
【解決手段】多角形の頂面と、側面とを備えた多角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするスクライバーにおいて、前記カッターの頂面が前記単結晶ダイヤモンドの結晶面の｛１００｝又は｛１１１｝面であり、前記カッターの側面が曲面であり、かつ前記頂面と前記側面で形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ曲線であるダイヤモンドスクライバー、及び単結晶ダイヤモンドを軸状シャンクに取り付け、特定の方法で研磨処理することにより、前記の性状を有するカッターを形成させ、ダイヤモンドスクライバーを製造する方法である。
【選択図】図７

Description

本発明は、ダイヤモンドスクライバー及びダイヤモンドスクライバーの製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、切れ刃が耐摩耗性に優れ、かつ欠損しにくく、長寿命である上、製造コストが低く、例えばシリコンウエーハやサファイヤウエーハ等の板状半導体材料、水晶等の脆性材料などにスクライブ線を形成するのに用いられるダイヤモンドスクライバー、及びこのダイヤモンドスクライバーを効率よく製造する方法に関するものである。

従来、シリコンウエーハやサファイヤウエーハ等の板状半導体材料、水晶等の脆性材料などの表面にスクライブ線を形成するのに、ダイヤモンドスクライバーが用いられている。
このダイヤモンドスクライバーは、通常シャンクの先端に１／１０〜１／１５０カラット程度の単結晶ダイヤモンドを取り付け、所定形状に成形研磨したもので、先端のダイヤモンドの形状としては、頂面が平面である三角錐台、四角錐台などの角錐台形状や、円錐台形状のものなどがある。
このようなダイヤモンドスクライバーを、ワーク表面に当接させ、一定の荷重をかけて移動させることで、ワークにスクライブ線（刻線）が形成される。この際、ワーク内部に歪みを発生させて、その部分から、ワークを分割（ブレーク）する。ワークに当接させることができるエッジ部の数によって、例えば２ポイントタイプ、３ポイントタイプ、４ポイントタイプ、８ポイントタイプなどがある。
図１は、４ポイントタイプとして、通常用いられているダイヤモンドスクライバーの１例の部分斜視図である。この図は、スクライバーのカッター１を頂面側から見た斜視図であって、カッター１は四角錐台の形状を有し、シャンク２に取り付けられている。このカッター１は、四角形の頂面１ａと４つの側面１ｂとを有し、側面１ｂ同士が交わる個所に４つの稜線１ｃが形成されており、また頂面１ａと側面１ｂとが交わる個所に４つの頂面の辺１ｄが形成されている。そして、頂面１ａの角には４つの三角錐のエッジ部３が形成されている。
図２は、上記スクライバーのカッターのエッジ部によってスクライブ線を形成させた１例を示す図であり、この図２に示すように、三角錐のエッジ部３をワーク４の表面に当接させ、稜線１ｃ側にカッター１を移動することで、ワーク４の表面にスクライブ線として連続して垂直クラックが形成される。
カッター１の三角錐のエッジ部３は、使用により徐々に摩耗してくると、ワーク４に良好な垂直クラックを形成することができなくなる。このため、エッジ部３が摩耗すると、カッター１を回転し、新たな尖っているエッジ部３をワーク４の表面に当接することが行われる。
ダイヤモンドスクライバーは、単結晶ダイヤモンドを金属製シャンクの先端の凹部にロウ付け法などにより接合したのち、通常回転可能な鋳鉄製の円盤上にダイヤモンドパウダーを塗り付け、これに予め決められた研磨角度でセットされたダイヤモンドを押しつけて、前記円盤を回転させながら、一定荷重及び一定時間だけ研磨することにより、カッターを形成することが行われる。
例えば、前記の４ポイントタイプのスクライバーのカッターを作製する場合には、四角錐台形状にダイヤモンドを加工するために、スカイフ技術により４つの結晶面を全て平面研磨することが行われる。
一方、単結晶ダイヤモンドは結晶構造を有することから、結晶面｛１００｝、｛１１０｝及び｛１１１｝があり、結晶面によって耐摩耗性が異なることが知られている。そこで、結晶面｛１００｝、｛１１０｝及び｛１１１｝の中で、｛１１１｝面が、｛１００｝面及び｛１１０｝面に比べて格段に耐摩耗性に優れていることから、｛１１１｝面を稜線と一致させるように研磨加工が行われている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、従来のダイヤモンドスクライバーにおける角錐台形状のカッターは、以下に示すような問題点があった。
（１）単結晶ダイヤモンドの研磨処理は、作業者の熟練により結晶面を選んで行われているが、作業者の熟練度にばらつきが大きく、稜線と結晶面とが正確に一致せず、切れ刃の耐摩耗性が悪くなる場合がある。
（２）結晶面を全て平面研磨する必要があるため、加工コストが高くつく。
（３）頂面の辺及び稜線をピン角にすると刃先が鋭角になるため欠損しやすくなる上、刃先の負荷が増大し、摩耗が早くなる。
従来、ダイヤモンドスクライバーのカッターの寿命を延ばすために、ワークに当接させることのできるエッジ部の数を多くする工夫がなされてきた（例えば特許文献２、特許文献３参照）。しかしながら、この場合、エッジ部の数には限度があり、また、エッジ部を多くすることによって、カッターを研磨加工して作製するための工程が煩雑となり、製造コストが高くつくのを免れないなどの問題があった。
特開昭４７−４０３９３号公報 特開昭４９−５４９８８号公報 特開２００３−１８３０４０号公報

本発明は、このような事情のもとで、切れ刃が耐摩耗性に優れ、かつ欠損しにくく、長寿命である上、製造コストが低く、板状半導体材料や水晶等の脆性材料などにスクライブ線を形成するのに用いられるダイヤモンドスクライバーを提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、単結晶ダイヤモンドの結晶面｛１１１｝が、他の結晶面｛１００｝及び｛１１０｝に比べて格段に耐摩耗性に優れることに着目し、シャンクに取り付けた単結晶ダイヤモンドを研磨して｛１００｝面の頂面を形成し、次いで該単結晶ダイヤモンドを前記軸状シャンクの軸心周りに回転させながら研磨盤に当接させることにより、前記側面が｛１１０｝面に接する曲面であり、かつ前記頂面と前記側面とで形成される頂面の辺が曲線であり、かつ稜線が｛１１１｝面に接する曲線であるカッターを形成することができ、前記課題を解決し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明は、
（１）多角形の頂面と、側面とを備えた多角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするスクライバーにおいて、前記カッターの頂面が前記単結晶ダイヤモンドの結晶面の｛１００｝又は｛１１１｝面であり、前記カッターの側面が曲面であり、かつ前記頂面と前記側面で形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ曲線であることを特徴とするダイヤモンドスクライバー、
（２）多角形が四角形であり、前記カッターの頂面が｛１００｝面であり、かつ前記側面が｛１１０｝面に接する曲面であり、かつ前記稜線が｛１１１｝面に接する曲線である上記(１)項に記載のダイヤモンドスクライバー、及び
（３）四角形の頂面と、側面とを備えた四角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするスクライバーの製造方法において、単結晶ダイヤモンドを軸状シャンクの一端に前記単結晶ダイヤモンドの｛１００｝面が前記軸状シャンクの軸心に対して略垂直になるように取り付けた後、前記単結晶ダイヤモンドを研磨して｛１００｝面の頂面を形成し、次いで該単結晶ダイヤモンドを前記軸状シャンクの軸心周りに回転させながら研磨盤に当接させることにより、前記側面が｛１１０｝面に接する曲面であり、かつ前記頂面と前記側面とで形成される頂面の辺が曲線であり、かつ稜線が｛１１１｝面に接する曲線であるカッターを形成することを特徴とするダイヤモンドスクライバーの製造方法、
を提供するものである。

本発明によれば、切れ刃が耐摩耗性に優れ、かつ欠損しにくく、長寿命である上、製造コストが低く、例えばシリコンウエーハやサファイヤウエーハ等の板状半導体材料、水晶等を脆性材料などにスクライブ線を形成するのに用いられるダイヤモンドスクライバー、及びこのダイヤモンドスクライバーを効率よく製造する方法を提供することができる。

本発明のダイヤモンドスクライバーは、多角形の頂面と側面とを備えた多角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするものであり、該カッターは、シャンクの先端の凹部に、ロウ付け法などにより接合され、取り付けられている。
図３は、本発明のダイヤモンドスクライバーにおいて、カッターとして用いられる単結晶ダイヤモンドの結晶面と、この面によって構成される結晶外形を示す説明図である。単結晶ダイヤモンドは、立方晶系に属する結晶構造を有しており、この図３で示されるように３種の結晶面が結晶体に現れる。
図３において（ａ）は｛１００｝面を、また、この面だけから構成された結晶体を示している。結晶軸ｘ、ｙ、ｚに関してそれぞれ｛１００｝面が現れ（｛１００面｝、｛１０１｝面、｛００１｝面はそれぞれ互いに等価である。）、結晶体の肉側（内側）と空間側を分ける面がそれぞれ表にあるか裏にあるかに応じて、見かけ上合計６つの面がある。この６つの面だけで構成された場合が同図に示される六面体結晶である。
（ｂ）は｛１１０｝面を、また、この面だけから構成された結晶体を示している。（ａ）と同様に考えて、見かけ上合計１２の面がある。この１２の面だけで構成された場合が同図に示される十二面体結晶である。更に、（ｃ）は｛１１１｝面を、また、この面だけから構成された結晶体を示している。同様に、見かけ上合計８の面がある。この８つの面だけで構成された場合が同図に示される八面体結晶である。
これらの３種の面が普通は複合されて現れる。図４は、これら３種の結晶面の全てが現れたダイヤモンド単結晶の１例を示す図であるが、この図のようにほぼ球形に近い均整のとれた形になることは稀である。

加工性は結晶面によって大きく異なる。図５は、結晶方位と摩耗（加工性）の関係を示し、方位により加工性が異なることを示したグラフである。実験は水平に保たれた鋳鉄板上で、これに予め決められた研磨角度にセットされたダイヤモンドを当てて、一定の荷重及び一定の時間だけ研磨することにより行われたものである。結晶軸に平行な方向の研磨角度を０度とし、八面体面｛１１１｝面だけは任意の方向が選定されて実験されたものである。
図５のグラフからわかるように、十二面体面｛１１０｝面が最も加工性が高く、六面体面｛１００｝面がこれに続く。一方、八面体面｛１１１｝面については、ほとんど摩耗が発生せず実質的に研磨できていない（特開２００２−３６０１７号公報）。
本発明のダイヤモンドスクライバーにおいては、前記カッターの頂面が前記単結晶ダイヤモンドの結晶面の｛１００｝又は｛１１１｝面であり、前記カッターの側面が曲面であり、かつ前記頂面と前記側面で形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ曲線であることを特徴とするものである。そして、特に多角形が四角形であり、前記カッターの頂面が｛１００｝面であり、かつ前記側面が｛１１０｝面に接する曲面であり、かつ前記稜線が｛１１１｝面に接する曲線であるものが好ましい。
従来の多角形の頂面と側面とを備えた多角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするスクライバーにおいては、該カッターの頂面及び側面が、それぞれ前記単結晶ダイヤモンドにおける結晶面の｛１００｝面及び｛１１１｝面であっても、頂面と側面とで形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ直線形状を有している。
図６は、従来の４ポイントタイプのダイヤモンドスクライバーにおけるカッターの１例の正面図（ａ）、平面図（ｂ）、及びＡ視図（ｃ）である。この４ポイントタイプのカッター６０の四角錐台の稜線６３と頂面６２との交点６１がカットポイントとなり、稜線６３と頂面６２が押していく形でスクライビングが進行する。しかし、稜線６３及び頂面の辺６４は直線状であり、切れ刃のチッピングなどの欠損が生じやすい。また、ワークと稜線との接触角度が鋭角で、点接触となるため、満足する良好なスクライブ線が得られにくい。

これに対し、本発明のダイヤモンドスクライバーにおけるカッターは、頂面と側面とで形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ曲線を有している。
図７は、本発明の４ポイントタイプのダイヤモンドスクライバーにおけるカッターの１例の正面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。この４ポイントタイプのカッター７０の四角錐台の稜線７３と頂面７２との交点７１がカットポイントとなり、稜線７３と頂面７２が押していく形でスクライビングが進行する。そして、稜線７３及び頂面の辺７４が曲線であり、その結果、切れ刃のチッピングなどの欠損を抑制することができる。また、ワークと稜線との接触する角度が緩やかになり、従来のように点接触ではなく、線接触することから、良好にスクライブされる。
本発明のダイヤモンドスクライバーにおけるカッターの多角錐台の形状については特に制限はないが、｛１１１｝面を効率よく利用するためには四角錐台であることが好ましい。そして、単結晶ダイヤモンドとしては、単結晶八面体ダイヤモンドが、形が明瞭で結晶面が分りやすいために、頂面の設定作業が容易であり、四角錐状かつ｛１１１｝面を有する結晶構造を有していることから、｛１１１｝面を効率よく利用し得るので好ましい。
また、該カッターは、稜線と｛１１１｝面が一致しているので、耐摩耗性が良好である。稜線と｛１１１｝面が一致しないと、すぐにエッジ部が摩耗し、ワークに良好なスクライブ線を形成することができなくなる。

このような性状を有する本発明のダイヤモンドスクライバーは、以下に示す本発明方法によって、効率よく製造することができる。
本発明のダイヤモンドスクライバーの製造方法においては、四角形の頂面と、側面とを備えた四角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするスクライバーを製造するに際し、まず、単結晶ダイヤモンドを軸状シャンクの一端に前記単結晶ダイヤモンドの｛１００｝面が前記軸状シャンクの軸心に対して略垂直になるように取り付けた後、前記単結晶ダイヤモンドを研磨して｛１００｝面の頂面を形成し、次いで該単結晶ダイヤモンドを前記軸状シャンクの軸心周りに回転させながら研磨盤に当接させることにより、前記側面が｛１１０｝面に接する曲面であり、かつ前記頂面と前記側面とで形成される頂面の辺が曲線であり、かつ稜線が｛１１１｝面に接する曲線であるカッターを形成させる。
単結晶ダイヤモンドの｛１００｝面が前記軸状シャンクの軸心に略垂直になるように該ダイヤモンドをシャンクに取り付ける方法については特に制限はなく、従来公知の方法、例えばロウ付け法などを用いることができる。このロウ付け法としては、真空中又は不活性ガス雰囲気下で行う方法、あるいはダイヤモンド表面にチタニウム、タングステン、コバルトなどの遷移金属をスパッタリングしたのち、さらにその上に銅、銀、ニッケル又はこれらの台金の中から選ばれる少なくとも１種をスパッタリングし、このものを大気中でシャンクにロウ付けする方法などを用いることができる。前記単結晶ダイヤモンドを研磨して｛１００｝面の頂面を形成させる方法については特に制限はなく、従来ダイヤモンドスクライバーのカッターの作製において慣用されている方法を用いることができる。
本発明方法においては、単結晶ダイヤモンドを軸状シャンクの一端に前記単結晶ダイヤモンドの｛１００｝面が前記軸状シャンクの軸心に対して略垂直になるように取り付けた後、前記単結晶ダイヤモンドを研磨して｛１００｝面の頂面を形成し、次いで該単結晶ダイヤモンドを前記軸状シャンクの軸心周りに回転させながら研磨盤に当接させて研磨する。この研磨法においては、例えば水平に保たれた回転可能なダイヤモンドパウダーを塗り付けた鋳鉄製の円盤上に対して、シャンクに取り付けられた単結晶ダイヤモンドを、所定の角度になるようにセットし、円盤及びシャンクを回転させながら、研磨処理が行われる。なお、頂面を研磨により研成する前に、略円錐形に粗加工してもよい。
図８は、本発明のダイヤモンドスクライバーの製造におけるカッター研磨の１例の模式図である。回転可能なダイヤモンドパウダーを塗り付けた円盤８１上に対して、シャンク８２に取り付けられた単結晶ダイヤモンド８３を所定の角度にセットし、円盤８１及びシャンク８２を回転させて、該ダイヤモンドを研磨する状態が示されている。
単結晶八面体ダイヤモンドを、このような研磨法により研磨処理すると、前述のように、加工性が結晶面によって大きく異なるため、最も耐摩耗性の高い｛１１１｝面のみが研磨されずに残り、四角錐台の頂面及び側面が、それぞれ前記単結晶ダイヤモンドにおける結晶面の｛１００｝面及び｛１１１｝面であり、かつ頂面と側面とで形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ曲線を有するカッターを形成することができる。
このような研磨法によると、それぞれの面を平面研磨することや、それぞれの面を結晶面に合わせる工程が不要となり、簡単な方法で結晶面を一致させることができるので、耐摩耗性に優れ、寿命が長く、低コストのダイヤモンドスクライバーを製造することができる。しかも、作業者の熟練度のばらつきをなくすことができる。
本発明のダイヤモンドスクライバーは、通常以下のようにして使用される。図９は、本発明のダイヤモンドスクライバーの使用方法の１例を示す説明図である。スクライブ装置のアーム９１に、ダイヤモンドスクライバー９２を取付け、板状脆性材料（ワーク）９３の表面に、ダイヤモンドスクライバー９２のカッター部を所定の角度で当接させ、板状脆性材料（ワーク）９３の表面上を移動させることにより、所定パターンのスクライブ線を設ける。

次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって、なんら限定されるものではない。
比較例１
１／１００ｃｔの単結晶八面体ダイヤモンドを、径３.０ｍｍのＳＵＳ４３０製のシャンクの一端に設けた凹部に、｛１００｝面が頂面になるようにセットし、銀ロウを使用してロウ付けした。その後、ダイヤモンドを回転可能なダイヤモンドパウダーを塗り付けた鋳鉄製の円盤上に押し付けて、該円盤のみ軸中心に回転させることにより、４つの面を平面研磨で形成し、頂面と側面とで形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ直線を有するカッターを形成し、ダイヤモンドスクライバーを製作した。
実施例１
比較例１と同様にして、ダイヤモンドを、｛１００｝面が頂面になるようにセットし、ロウ付けしたのち、回転可能なダイヤモンドパウダーを塗り付けた鋳鉄製の円盤上に対して、シャンクに取り付けられたダイヤモンドを角度が４５°になるようにセットし、円盤及びシャンクを軸中心に回転させることにより、研磨処理を行った。これにより、四角錐台の頂面及び側面がそれぞれ｛１００｝面及び｛１１１｝面であり、かつ頂面と側面とで形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ曲線を有するカッターを形成し、本発明のダイヤモンドスクライバーを製作した。

試験例１
比較例１で得られたダイヤモンドスクライバー及び実施例１で得られたダイヤモンドスクライバーを用い、厚さ０.４ｍｍ、径５０.０ｍｍの円板状のサファイヤに対して、以下に示すような試験を行った。
取り付け角度：７０度
カットスピード：１０ｍｍ／ｓ
荷重：２９４ｍＮ（３０ｇ）
その結果、比較例１のスクライバーにおいては、溝入れ加工を５０本行った後に、ワークの水平方向に大きなクラックが発生し、１００本行った後に、ワークにスクライブ線を形成することができなくなった。
これに対し、実施例１のスクライバーにおいては、溝入れ加工を２００本行った後も、ワークに確実にスクライブ線を形成することができると共に、ワークに、水平方向に大きなクラックが発生することがなかった。

本発明のダイヤモンドスクライバーは、切れ刃が耐摩耗性に優れ、かつ欠損しにくく、長寿命である上、製造コストが低く、例えばシリコンウエーハやサファイヤウエーハ等の板状半導体材料、水晶等の脆性材料などにスクライブ線を形成するのに好適に用いられる。

４ポイントタイプとして、通常用いられているダイヤモンドスクライバーの１例の部分斜視図である。 ダイヤモンドスクライバーのカッターのエッジ部によってスクライブ線を形成させた１例を示す図である。 単結晶ダイヤモンドの結晶面と、この面によって構成される結晶外形を示す説明図である。 ３種の結晶面の全てが現れたダイヤモンド単結晶の１例を示す図である。 単結晶ダイヤモンドの結晶方位と摩耗（加工性）との関係を示すグラフである。 従来の４ポイントタイプのダイヤモンドスクライバーにおけるカッターの１例の正面図（ａ）、平面図（ｂ）及びＡ視図（ｃ）である。 本発明の４ポイントタイプのダイヤモンドスクライバーにおけるカッターの１例の正面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 本発明のダイヤモンドスクライバーの製造におけるカッター研磨の１例の模式図である。 本発明のダイヤモンドスクライバーの使用方法の１例を示す説明図である。

符号の説明

１、６０、７０ カッター
１ａ、６２、７２ 頂面
１ｂ 側面
１ｃ、６３、７３ 稜線
１ｄ、６４、７４ 頂面の辺
２、８２ シャンク
３、６１、７１ エッジ部（カットポイント）
４、９３ ワーク
５ 凹み
８１ 円盤
８３ 単結晶ダイヤモンド
９１ アーム
９２ ダイヤモンドスクライバー

Claims (3)

1. 多角形の頂面と、側面とを備えた多角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするスクライバーにおいて、前記カッターの頂面が前記単結晶ダイヤモンドの結晶面の｛１００｝又は｛１１１｝面であり、前記カッターの側面が曲面であり、かつ前記頂面と前記側面で形成される頂面の辺及び側面と側面とで形成される稜線が、それぞれ曲線であることを特徴とするダイヤモンドスクライバー。
2. 多角形が四角形であり、前記カッターの頂面が｛１００｝面であり、かつ前記側面が｛１１０｝面に接する曲面であり、かつ前記稜線が｛１１１｝面に接する曲線である請求項１に記載のダイヤモンドスクライバー。
3. 四角形の頂面と、側面とを備えた四角錐台形状部を有する単結晶ダイヤモンドをカッターとするスクライバーの製造方法において、単結晶ダイヤモンドを軸状シャンクの一端に前記単結晶ダイヤモンドの｛１００｝面が前記軸状シャンクの軸心に対して略垂直になるように取り付けた後、前記単結晶ダイヤモンドを研磨して｛１００｝面の頂面を形成し、次いで該単結晶ダイヤモンドを前記軸状シャンクの軸心周りに回転させながら研磨盤に当接させることにより、前記側面が｛１１０｝面に接する曲面であり、かつ前記頂面と前記側面とで形成される頂面の辺が曲線であり、かつ稜線が｛１１１｝面に接する曲線であるカッターを形成することを特徴とするダイヤモンドスクライバーの製造方法。

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