JP2006096951A - 水溶性切断加工用油剤、スラリー、及び切断加工方法 - Google Patents

水溶性切断加工用油剤、スラリー、及び切断加工方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 遊離砥粒を用いて硬度の高い脆性材料を高能率、高精度に切断加工するブレードソー、ワイヤソー等に使用する水溶性切断加工用油剤、水溶性切断加工用スラリー、及び脆性材料の切断加工方法を提供すること。
【解決手段】 (A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、(B)芳香族多価カルボン酸塩、(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物、及び水を含有する水溶性切断加工用油剤、該油剤と砥粒を含む水溶性切断加工用スラリー、及びこれを用いた脆性材料の切断加工方法。

Description

本発明は水溶性切断加工用油剤、スラリー、及び切断加工方法に関し、更に詳細には、脆性材料の切断に使用するのに好適な水溶性切断加工用油剤、スラリー、及びこれを用いた脆性材料の切断加工方法に関する。
硬度の高い脆性材料の切断加工には、遊離砥粒を用いてのワイヤソー、ブレードソー(バンドソー)加工が加工能率、加工精度の観点から近年広く使用されている。その際、砥粒と油剤を混合し、調整した液(スラリー)が一般的に使用される。
このスラリーに使用される油剤は従来、混合する砥粒の分散性、分散安定性の観点から不水溶性油剤[鉱物油、砥粒分散剤(油溶性界面活性剤)、砥粒分散安定剤(有機ベントナイト又は無機ベントナイト等)を含む]が広く使用されてきた。
しかし、近年の電子・半導体産業の著しい進歩により、その材料である脆性材料の砥粒による切断加工においても生産性の向上、切断した加工部品の加工精度の向上が求められ、それとともに切断加工条件が著しく苛酷(高速切断加工、高能率加工)になってきた。その結果、従来の様々な不水溶性油剤と砥粒の混合スラリーでは、加工速度の高速化にともなう加工材料の熱膨張による寸法不良等によって加工精度が低下すること、油剤が引火点を持つ危険物であること、加工後の洗浄工程においてスラリー除去を溶剤で行わなければならない、という消防法上の問題や、切断加工中の発煙、ミスト発生、スラリーの飛散による床、加工機周辺の作業環境の悪化の問題等が大きくクローズアップされ、問題となってきた。
この対策として、スラリー用の油剤として水溶性油剤(通常原液タイプ)が注目され、ここ10年間に渡り、種々の水溶性油剤の特許が出願公開されている。
しかしこれらの技術は基本的にスラリーの砥粒分散性、安定性を考慮するあまり、水溶性油剤の粘度、スラリー粘度や密度に重点が置かれている。それ故、もっとも重要な油剤の特性と被削材への切断性に注目し、開発したものは見当たらない。
水溶性油剤の成分的な観点より見た場合、従来の不水溶性油剤のスラリーに用いていた考え方を基に、従来通り砥粒の安定剤として有機ベントナイト又は無機ベントナイト、又はカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、キサンタンガム、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸アミド等の水溶性増粘剤が使用されてきた例が多々ある。
しかし、有機ベントナイト又は無機ベントナイトを使用した場合、これらの化合物が水に不溶の為、水溶性油剤(原液)の長期安定性の問題や、スラリー粘度の増加、切断点へのスラリー浸透不良による加工精度への影響などの問題が多発した。さらに水溶性増粘剤は微生物の栄養源となる物質が多く、長期間使用した場合、スラリーが腐敗し、悪臭を発生し、作業環境上問題が多い。
上記課題を解決した水溶性切断加工用油剤として、多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、芳香族カルボン酸、該芳香族カルボン酸を中和し水溶性化する塩基性物質、及び水を含有するものが知られている(特許文献1)。
しかし、最近、使用砥粒の細粒化、使用ワイヤーの細線化に伴い、使用ワイヤーへの砥粒の付着性が低下し、切断されたシリコンウエハーの品質が低下するという問題がある。
特開2003−238983
本発明の目的は、遊離砥粒を用いて硬度の高い脆性材料を高能率、高精度に切断加工するブレードソー、ワイヤソー等に使用する水溶性切断加工用油剤を提供することである。
本発明の他の目的は、油剤と遊離砥粒を混合し調製した液(スラリー)であって、スラリー中の砥粒の分散性、及び再分散性に優れ、起泡が少なく、併せて切断用ワイヤーへの砥粒付着性(乗り)に優れ、切断点へのスラリーの浸透性に優れた水溶性切断加工用スラリーを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、上記油剤を用いた脆性材料の切断加工方法を提供することである。
本発明者らは、上記課題を達成するため鋭意研究を重ねた結果、アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物を添加することにより優れた油剤が得られることを見出し本発明を完成させるに至った。
本発明は、以下の水溶性切断加工用油剤、スラリー、及び切断加工方法を提供するものである。
1.(A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、(B)芳香族多価カルボン酸塩、(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物、及び水を含有することを特徴とする水溶性切断加工用油剤。
2.(A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物の水に対する溶解度が、20℃で5g/100g水以上である上記1記載の水溶性切断加工用油剤。
3.(B)芳香族多価カルボン酸が、炭素原子数8〜20のジ、トリ、又はテトラカルボン酸のいずれか1種以上である上記1又は2記載の水溶性切断加工用油剤。
4.(B)芳香族多価カルボン酸塩の水に対する溶解度が、20℃で5g/100g水以上である上記1〜3のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
5.(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物が、エチレングリコール及び/又はプロピレングリコールの、エチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイド付加物であり、分子量が1000〜5000である上記1〜4のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
6.(A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物の含有量が10〜95質量%である上記1〜5のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
7.(A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物の分子量が60〜4000である上記1〜6のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
8.(B)芳香族多価カルボン酸塩の含有量が0.3〜5質量%である上記1〜7のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
9.(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物の含有量が、3〜30質量%である上記1〜8のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
10.水の含有量が3〜60質量%である上記1〜9のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
11.脆性材料切断加工用の上記1〜10のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
12.脆性材料がシリコン系であり、pHが5.0〜9.0の範囲である上記11記載の水溶性切断加工用油剤。
13.上記1〜12のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤と砥粒を含む切断加工用スラリー。
14.上記1〜12のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤又は上記13記載のスラリーを使用することを特徴とする脆性材料の切断加工方法。
本発明の水溶性切断加工用油剤を脆性材料の切断に使用した場合、市販の水溶性切断加工用油剤および不水溶性切断加工用油剤を使用した場合と比較して、スラリー中の砥粒の分散性、及び再分散性に優れ、切断用ワイヤーへの砥粒付着性(乗り)に優れ、切断点へのスラリーの浸透性に優れ、スラリー供給量を増大してもスラリーの起泡が少なく、スラリー供給ポンプの脈動も少なく、その結果、切断能率が高く、切断加工面の精度が優れ、かつ切断加工後のスラリー除去の洗浄工程においても溶剤等を使用せず容易に水で洗浄でき、併せて不水溶性油剤のような引火性の心配もなく、切断加工機の表面や床等にスラリーが飛散、付着堆積しても簡単に清掃ができ、作業環境を悪化させることなく、生産性の向上に寄与するものである。
本発明に使用する、(A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、多価アルコール誘導体は、水に対する溶解度が20℃で、好ましくは5g/100g水以上であり、さらに好ましくは20g/100g水以上、最も好ましくは30g/100g水以上である。
水に対する溶解度が5g/100g水より低くなると、水溶性油剤の特徴が失なわれてしまうことがあり好ましくない。
又、上記物資の分子量は60〜4000が適当であり、好ましくは60〜3000、より好ましくは60〜2000である。分子量が4000を越えると、油剤の粘性が増加し、砥粒の再分散性が低下し、さらに油剤の破泡性も低下し、結果としてスラリーの消泡性が低下し、切断加工性能の低下につながる。さらに、スラリーの残渣物が非常に粘ちょう性を帯び、切断加工機械、床等の汚れが増大し、作業環境の悪化につながる。
本発明の油剤中、多価アルコール、多価アルコール縮合物、多価アルコール誘導体の含有量は合計で、10〜95質量%が適当であり、好ましくは20〜80質量%、より好ましくは40〜80質量%である。
次に本発明に使用される多価アルコール、多価アルコール縮合物、多価アルコール誘導体の具体例を列挙する。しかし、本発明はこれらに限定されるものではない。
多価アルコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、デカンジオール、グリセリン、ヘキサントリオール、デカントリオール、ペンタエリスリトール等がある。
多価アルコール縮合物としては、ジエチングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール200、同400、同1200、ジプロピレングリコール、トリプロプレングリコール、ジグリセリン、トリグリセン、オクタグリセリン、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトール等がある。
多価アルコール誘導体としては、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、グリセリンモノメチルエーテル、グリセリンジメチルエーテル、グリセンジエチルエーテル、グリセリントリエチルエーテル等が挙げられる。
本発明に使用する(B)芳香族多価カルボン酸塩は、スラリーにした場合の、砥粒の分散性、再分散性、ワイヤーへの砥粒の付着性等に寄与している。
本発明に使用される芳香族多価カルボン酸としては、炭素原子数8〜20のジ、トリ、テトラカルボン酸が挙げられる。これらの芳香族多価カルボン酸は酸の形態では水に難溶であるので、上述の様にこれらの芳香族多価カルボン酸と有機アミン及び/又は無機塩基性物質と反応させ水溶性化し、芳香族多価カルボン酸塩として使用する。その場合、芳香族多価カルボン酸塩の水に対する溶解度は5g/100g水以上であることが望ましい。5g/100g水以下では、芳香族多価カルボン酸塩が折出しやすく、好ましくない。
本発明の油剤中、芳香族多価カルボン酸塩の含有量は好ましくは0.3〜10質量%、さらに好ましくは0.5〜5質量%、最も好ましくは0.5〜2質量%である。0.3質量%未満では、スラリー中の砥粒の分散性向上効果が充分でなく、又10質量%を超えても、分散性向上効果が飽和し、経済的に不利である。
本発明に使用される芳香族多価カルボン酸の具体例としては、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等が挙げられる。
本発明に使用する芳香族多価カルボン酸塩を形成する塩基性物質は、油剤のサビ止め性を良好に維持するという作用も有している。このような塩基性物質の例としては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノイソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、モノメチルエタノールアミン、ジエチルエタノールアミン等のアルカノールアミン;シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン等の脂環式アミン;これらのアミンにエチレンオキサイドを1〜6モル付加した合成アミン、1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン、ジグリコールモノアミン等が挙げられる。
また脂肪族アミンとしては、炭素原子数8〜18の第一級又は第二級のアルキルアミン(例えば2−エチルヘキシルアミン、ラウリルアミン、ステアリルアミン、オレイルアミン等)、これらのアミンにエチレンオキサイドを1〜6モル付加した合成アミン、さらにイソデシルアミン、イソステアリルアミン等の合成アミンが挙げられる。さらに、2−メチル−2−アミノ−プロパノール(AMP)も挙げられる。芳香族アミンとしてはベンジルアミン、メタキシレンジアミン及びこれらのアミンにエチレンオキサイドを1〜6モル付加した合成アミンや、さらにその他の例としてジグリコールアミン等が挙げられる。
無機塩基性物質としては、周期表1A族のアルカリ金属の水酸化物(水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等)が挙げられる。
本発明に使用される、(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物としては、エチレングリコール及び/又はプロピレングリコールの、エチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイド付加物が挙げられる。付加モル数は好ましくは5〜100、さらに好ましくは10〜80であり、分子量は好ましくは1000〜10000、さらに好ましくは1000〜5000、最も好ましくは1000〜2000である。
上記アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物の水に対する溶解度は5g/100g水以上であることが望ましい。
本発明の油剤中、(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物の含有量は、好ましくは1〜30質量%、さらに好ましくは5〜20質量%、最も好ましくは5〜15質量%である。含有量が1質量%未満では、砥粒のワイヤーに対する付着性向上効果が低く、30質量%を超えても効果が飽和し、不経済である。
本発明の油剤を使用して切断加工するのに適した被加工材料の例としては、電子産業分野で広く使用されている脆性材料が挙げられ、具体例としては、シリコン(単結晶、多結晶)、ガリウム砒素等の半導体、アルミナ、酸化ジルコニウム等のセラミックス、石英ガラス、ケイ酸ガラス等のガラスが挙げられる。脆性材料が、シリコン系である場合は、油剤のpHは5〜9とすることが望ましい。この場合、塩基性物質としては、無機塩基性物質より有機塩基性物質を使用することが望ましい。特に、塩基性のマイルドなトリエタノールアミン、トリイソプロパノールアミン等の第3級アルカノールアミンが望ましい。
本発明の油剤に使用する水としては、超純水、蒸留水、イオン交換水、水道水、市水、工業用水等のいずれを用いても良く、水の含有量は通常3〜60質量%であり、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%である。水の含有量が60質量%を超えると、スラリーの粘度が低くなり過ぎて、切断加工性能が低下することがある。又、3質量%未満では、切断加工時の熱の発生によりスラリー中の水分(油剤中の水分)が蒸発し、油剤自身に引火性を生じ水溶性油剤としての特性が失なわれるおそれがある。
本発明の水溶性切断加工用油剤は、(A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、(B)芳香族多価カルボン酸塩、(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物、及び水を適当な温度条件下、例えば、40〜70℃程度で混合溶解させることにより容易に製造できる。その際、必要に応じて、界面活性剤(アニオン系、ノニオン系)、水溶性増粘剤、防腐剤、防カビ剤、非鉄金属防食剤、pH緩衝剤等を適宜添加含有させても良い。
本発明の油剤は、通常はそのまま砥粒(例えば、炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンド、CBN)と適当な割合で、好ましくは、質量比1:0.8〜1.1.5の範囲で混合して脆性材料の切断加工用スラリーとして使用される。
以下、実施例および比較例により、本発明の水溶性脆性材料切断加工用油剤を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1〜5及び比較例1〜6
表1及び表2に示す各成分を混合し、実施例1〜5及び比較例1〜4の水溶性切断加工用油剤を調製した。比較例5及び6は市販の水溶性切断加工用油剤及び不水溶性切断加工用油剤である。
スラリーの性状測定試験法
各例の油剤を用いて、以下のように試験した。試験結果を表1〜2に併せて示す。
(a)pH測定試験
JIS−Z−8802 ガラス電極法により測定した。
(b)泡立ち消泡性試験(JIS K2518 石油製品潤滑油−泡立ち試験方法に準拠)
泡立ち試験は次の条件で行った。
装置:ディフューザーストーン
スラリー量:300ml
空気吹込み量:2リットル/分
吹込み時間:60分
評価は以下の基準に従って行った。
起泡性 60分後の泡の高さ
○:200ml未満
△:200〜300ml
×:300ml超
消泡性 空気送りをストップさせた後5分後の泡の高さ
○:10ml未満
△:10〜50ml
×:50ml超
(c)砥粒分散安定性試験
実施例、比較例の各油剤100mlを200mlビーカー内に採取し、次いで砥粒(GC#1000)を100g(油剤:砥粒=1:1)、シリコン微紛を10g加え、ホモミキサーを用い6000rpmで5分間攪拌、分散を行いスラリーを作成した。次いでこのスラリー100mlを100mlメスシリンダーに移し室温で6時間放置し、砥粒分散安定性を肉眼で観察した。
評価は以下の規準に従って行った。
○:ほとんど分散している。均一のスラリーのままである。
△:○〜×の間
×:スラリーの上層約1/4が油剤となり砥粒分散安定性が悪い。
(d)砥粒再分散性試験
上記(c)で試験を行ったスラリー入りの100mlメスシリンダーを室温で24時間放置し、スラリー中の砥粒をほぼ沈降させる。次に砥粒が沈降しているスラリー入りのメスシリンダーを手で上下に20回静かに振とうし、砥粒の再分散性を評価した。
評価は以下の規準に従って行った。
○:砥粒が完全に再分散し、元のスラリーとほぼ同一となる。
△:○〜×の間。
×:砥粒がメスシリンダー底部に固着し元のスラリーに戻らない。
(e)動的切断ワイヤーへの砥粒付着試験
実施例、比較例の各油剤砥粒のスラリー約100g(油剤100ml:砥粒(GC#1000)(油剤:砥粒=1:1))を200mlビーカーに採取し、1000rpmで連続運動(回転)している2個の樹脂プーリー(間隔30cm)上に張ってある0.15mmシリコンウエハー切断用ワイヤー上に10秒間滴下し、滴下終了5秒後に、連続運動(回転)している切断用ワイヤーを止め、ワイヤー上のスラリー砥粒の付着状態を顕微鏡観察した。
評価は以下の規準に従って行った。
○:ワイヤー上に砥粒が良く付着している。
□:ワイヤー上に砥粒が付着している。
△:ワイヤー上に砥粒がやや付着している。
×:ワイヤー上に砥粒が殆ど付着していない。
(f)切断性評価試験
評価は実際のシリコンインゴットを用いて、下記の条件で行った。
切断装置;ワイヤソー
材料;シリコンインゴット
寸法;8インチφ×200mmL
ワイヤー径;0.15mm
ワイヤー線速度;平均600m/分
スラリー;油剤:砥粒GC#1000の混合比率(質量比)(1:1)
スラリー温度;24℃
評価は加工切断面のTTV(Total Thickness Variation)とWarp(うねり)を測定することで行った。TTV、Warpは共に小さい値の方が加工精度が良好であることを示している。










Figure 2006096951
イソフタル酸塩:イソフタル酸/トリエタノールアミン(1:2モル)
アルキレンオキサイド1:分子量1000のエチレングリコールエチレンオキサイド付加物
アルキレンオキサイド2:分子量2000のプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物
アルキレンオキサイド3:分子量2000のエチレングリコールエチレンオキサイド/プロピレンオキサイド付加物
Figure 2006096951
ラウリル酸塩:ラウリル酸:トリエタノールアミン(1:2モル)プロノン PE−61(三洋化成(株)製)
アルキルエーテル:分子量2000のブチルアルコールエチレンオキサイド付加物
本発明のスラリーは、比較例のスラリーと比較して、消泡性、砥粒分散安定性、砥粒再分散性、ワイヤーへの付着性、切断性に優れ、切断面の加工精度が高いことがわかる。

Claims (14)

  1. (A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、(B)芳香族多価カルボン酸塩、(C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物、及び水を含有することを特徴とする水溶性切断加工用油剤。
  2. (A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物の水に対する溶解度が、20℃で5g/100g水以上である請求項1記載の水溶性切断加工用油剤。
  3. (B)芳香族多価カルボン酸が、炭素原子数8〜20のジ、トリ、又はテトラカルボン酸のいずれか1種以上である請求項1又は2記載の水溶性切断加工用油剤。
  4. (B)芳香族多価カルボン酸塩の水に対する溶解度が、20℃で5g/100g水以上である請求項1〜3のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  5. (C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物が、エチレングリコール及び/又はプロピレングリコールの、エチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイド付加物であり、分子量が1000〜5000である請求項1〜4のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  6. (A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物の含有量が10〜95質量%である請求項1〜5のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  7. (A)多価アルコール、多価アルコール縮合物、及び多価アルコール誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物の分子量が60〜4000である請求項1〜6のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  8. (B)芳香族多価カルボン酸塩の含有量が0.3〜5質量%である請求項1〜7のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  9. (C)アルキレングリコールのアルキレンオキサイド付加物の含有量が、3〜30質量%である請求項1〜8のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  10. 水の含有量が3〜60質量%である請求項1〜9のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  11. 脆性材料切断加工用の請求項1〜10のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤。
  12. 脆性材料がシリコン系であり、pHが5.0〜9.0の範囲である請求項11記載の水溶性切断加工用油剤。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤と砥粒を含む切断加工用スラリー。
  14. 請求項1〜12のいずれか1項記載の水溶性切断加工用油剤又は請求項13記載のスラリーを使用することを特徴とする脆性材料の切断加工方法。
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