JP2007044841A - ソーワイヤおよびその製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度の低下を招かずに切断効率を向上することができ、また同時に切断精度も向上することができるソーワイヤを提供する。
【解決手段】ワイヤソーマシンに用いられるワイヤにおいて、ワイヤが円形断面の１個所以上に圧延された平坦面を有し、その平坦面がワイヤ長手方向でらせん状に連続している。
【選択図】図５

Description

本発明は半導体や太陽電池などに使用する素材を切断する遊離砥粒式ソーマシン用のソーワイヤおよびその製造法に関する。

半導体や太陽電池などに用いられるシリコンウエハーや水晶などの薄い片を得る方法として、図１のように細径ワイヤＡを用い、これの多数本を複数の溝つきローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３に列状に巻き掛けて長手方向に走行させ、ワイヤ列をインゴット状の被切断物Ｗに押し付けながらワイヤと被切断物との間に砥粒を含有するスラリー状の加工液（砥液）を注ぎ、砥粒による研削（ラッピング）作用により複数の薄層片に切断するワイヤソーマシン方式が汎用されている。

この方式において重要なことは切断効率を上げることであり、これを実現するためには、インゴットとワイヤとの接触面間に遊離砥粒が絶えず介在されていることが肝要であり、従来ではワイヤとして、綱線材を伸線し、最終熱処理を施したのち、真鍮メッキを施し、最終湿式伸線を行って得られた径０．１６〜０．２５ｍｍ程度の丸線が用いられていた。
しかしこのようなソーワイヤでは、ワイヤの走行により、図２のように被切断物Ｗの切断加工部の前部(厚さ方向で表面に近い領域)Ｆでは遊離砥粒の引き込みは比較的円滑であるものの、インゴット中央部Ｍや後部Ｂでは切断加工部とワイヤとの接触圧が高くなり、砥粒の引き込みができなくなる現象（いわゆる液切れないし膜切れ）を起こしやすい。既述のようにワイヤーソーによる切断は砥粒(通常、20ミクロン程度のダイヤモンドパウダー)のラップ効果で行われるので、液切れないし膜切れが起こると、ワイヤとインゴットが直接的にこすれる関係となる。このため、切断効率が大きく低下することを避けられなかった。

この対策として、特許文献２には、ワイヤの長手方向にらせん状の溝を設け、この溝で遊離砥粒を保持させて切削力を向上することが提案されている。
しかしながら、ソーマシンでは切断刃物としてのワイヤに大きな引張り力をかけるところ、先行技術では、ワイヤに溝を切欠するので、ノッチ作用によりワイヤの強度低下を招くことを避けられない。しかも、直径が０．２ｍｍ前後の硬質なワイヤに均一な深さと幅の溝を加工することはコストが高価となる上にきわめて困難であり、往々にして不均一な加工状態となり、それにより応力集中を招きやすい。さらに、メッキ後に溝加工をすると溝部分のメッキが切除されるので、腐食が生じやすくなる。これらの理由から、使用中にワイヤの破断、折損が生じやすく、その修復に多大な手間と時間を要するので、実用性に乏しかった。
特開平９−７０７４７号公報 実開昭６３−１７７５５号公報

本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、強度の低下を招かずに切断効率を向上することができ、また同時に切断精度も向上することができるソーワイヤを提供することにある。
また本発明の他の目的は、前記のような特徴を持つソーワイヤを安価に量産することができる方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のソーワイヤは、溝つきローラに列状に巻き掛けて長手方向に走行させ、インゴット状の被切断物に押し付けながら被切断物との間に砥粒を含有する加工液を注いで薄層片に切断するワイヤソーマシンに用いられるワイヤにおいて、ワイヤが円形断面の１個所以上に圧延された平坦面を有し、その平坦面がワイヤ長手方向でらせん状に連続していることを特徴としている。

また、前記目的を達成するため本発明のソーワイヤの製造法は、伸線された真円状断面のワイヤに捻りを加え、この捻り状態のワイヤを長手方向に移動させつつ圧延手段にてワイヤ断面を局部的に圧延し、圧延後に捻れを戻すことを特徴としている。

本発明のソーワイヤによるときには、ワイヤ断面の全部が円形でなく、少なくとも一部に平坦面を有しているので、その平坦面によってワイヤが接触する被切断物との間に隙間が形成されるので、遊離砥粒を含む加工液の供給が適切に確保される。しかも、前記隙間はワイヤ長手方向でらせん状に連続しているので、被切断物の中央部や後部の領域でも遊離砥粒が的確に供給され、液切れないし膜切れが防止される。したがって、効率のよい切断を行うことができる。
また、被切断物との間に隙間を形成する機構を、ワイヤ断面に溝を設けるのでなく、圧延により平坦面を形成することで実現しているので強度の低下は生じず、使用中のワイヤの破断、折損を回避できる。

また、ワイヤは製造上断面の円周方向の残留応力が不均一となり、伸線加工により長手方向では前記円周方向での残留応力の不均一がそのまま連続する。その結果、ソーマシンでの切断中にワイヤが真っ直ぐ前進せず、被切断物の中央部や後部域で傾斜して偏切断を生じさせやすいが、平坦面をらせん状に加工することにより残留応力がワイヤ長手方向でらせん状に分布されて、円周方向での残留応力の均一化が図られるので、直進性がよくなり切断進行方向が安定する。このため、切断される薄層片の厚みを均一化することができる。

本発明のソーワイヤの製造法によるときには、ワイヤを走行させるだけで、断面において１箇所以上に平坦面を有しかつその平坦面がらせん状となった本発明のソーワイヤを安価に量産可能であるというすぐれた効果が得られる。

平坦面が２箇所以上ワイヤ円周上で等間隔にあり、平坦面とワイヤ基本断面円形との最大距離が１０〜１００μｍである。
これによれば、２箇所以上の平坦面がワイヤ円周上で等間隔にあるので形状的なバランスがよく、また、残留応力の分布が周方向で均一化するので、切断時にワイヤがぶれることなくスムーズに移動するとともに、平坦面のピッチが細かくなるので砥粒を含む加工液の切断加工部位への供給をきめ細かく行える。しかも平坦面とワイヤ基本断面円形との最大距離が１０〜１００μｍであるので、切断加工部に対する隙間を確実に創成でき、十分な量の砥粒を介在させてラッピングを行える。

平坦面のらせんが、時計回りと反時計回りの混合したものである。
これによれば、ワイヤの表面残留応力をバランスよく形成させることができるので走行切断時の直線性がよくなり、切断時にワイヤがぶれることなくスムーズに移動することができ、精度を高めることができる。また、切断部との隙間がクロス状となるので、砥粒を含む加工液がそのクロス状の隙間を介して時計方向および反時計方向に十分に供給されるので、切断効率と精度をよくすることができる。

製造上の態様としては、圧延手段を内蔵した捻線機を２基タンデムに使用し、真円状断面のワイヤに第１の捻線機において捻りを加え、このねじり状態のワイヤに対して前記捻線機内に配した圧延手段にて圧延し、圧延後に捻れを戻し、次いで第２の捻線機に導いて前記捻りと逆方向の捻りを加え、このねじり状態のワイヤに対して捻線機内に配した圧延手段にて圧延し、圧延後に捻れを戻す。
これによれば、時計回りと反時計回りの混合した平坦面のらせんを能率よくインラインで加工することができる。

以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図３ないし図５は本発明によるソーワイヤの第１実施例を示している。
１は基本的に断面が真円形状ないしこれに近く、直径がたとえば０．０５〜０．３０ｍｍのワイヤであり、炭素含有量が０．７０％以上の高炭素鋼を伸線加工してなり、表面には真鍮、亜鉛などのメッキが０．１０〜１．２μｍ厚で施されており、表面の残留応力は±２００ｋｇｆ／ｍｍ^２となっている。

２は前記ワイヤ１の表面に圧延形成された帯状の平坦面部であり、この例では円周上で４箇所等間隔に設けられ、平坦面部２の間は円弧面となっている。前記平坦面部２は、所要のピッチたとえば１〜２０ｍｍでワイヤ長手方向にらせん状に連続している。
前記平坦面部２は、使用時に被加工物の切断加工部に隙間を形成する機能を発揮させるため、図４のようにワイヤ外円からの最大距離Ｈを１０〜１００μｍとすることが好ましい。１０ミクロン以下では創成される隙間が小さいため、砥粒を含む加工液を円滑に切断加工部に送り込むことができない。１００μｍ以上はラップ効果が低下するので好ましくない。平坦面部２を設ける数によって前記範囲から適宜選定する。
一例としては、線径０．１５ｍｍのワイヤにおいて、４箇所の平坦面部を設ける場合、ワイヤ外円からの最大距離Ｈを約２０μｍとし、ピッチを１０ｍｍなどとすればよい。

この実施例によれば、図１と同様に、複数の溝つきローラに列状に巻き掛けて長手方向に走行させ、ワイヤ列をインゴット状の被切断物Ｗに押し付けながらワイヤと被切断物との間に砥粒を含有するスラリー状の加工液（砥液）Ｓを注ぎ、砥粒による研削（ラッピング）作用により複数の薄層片に切断するものであるが、ワイヤ１は断面全体が真円形でなく、円周上の一部に平坦面部２を有しているため、図５（ａ）（ｂ）のように切断加工部ｗとの間に隙間が創成され、その隙間に加工液Ｓが介在される。
しかも、平坦面部２はらせん状となっているので、ワイヤ１の走行とともにらせんピッチに応じた平坦面部２が次々と切断加工部ｗに臨み、加工液Ｓを供給するかたちとなる。加工液Ｓを切断部上方からあるいは側方から平坦面部２に注げば、らせんに沿って導かれ、ラップ作用により切断が行われる。
したがって、こうしたメカニズムにより、被切断物Ｗの切断加工部ｗの前部Ｆはもとより中央部Ｍや後部Ｂにおいても液切れや膜切れが起こらなくなるので、切断効率を高いものとすることができ、また、ワイヤと被切断物の直接的なこすれに起因する凹凸の発生も防止でき、表面精度がよくなる。

また、平坦面部２が圧延で形成されたものであり、かつ、らせん状をなしていることによりワイヤ伸線時の表面残留応力もらせん状になり、それにより表面残留応力は円周方向で平均化する。このために直線性がよくなり、真っ直ぐに走行する。このため、傾斜切断が防止され、一端から他端まで厚さの均一な薄層片を切断することができる。
また、ワイヤ１に溝を加工するのでなく、平坦面部を圧延で形成することで達成しているので、強度の低下が起こらず、強いテンションをかけても溝形式の場合のようなノッチ作用による切断のおそれはない。また、溝切りを行うとメッキ層が溝部分でなくなるが、本発明の場合はメッキ層が全面にあるので耐食性もよいものとなる。

本発明における平坦面部２は、第１実施例のように４箇所であることに限定されない。図６は若干の例を示しており、（ａ）は平坦面部２を２箇所形成している。（ｂ）は３箇所形成している。（ｃ）は５箇所、（ｄ）は６箇所の例を示している。もっと多くてもよいが、ワイヤ本来の円弧面を残すことが好ましいので、通常、１０箇所程度までとされよう。

本発明における平坦面部のらせんは、Ｓ方向（時計方向）、Ｚ方向（反時計方向）のいずれでもよいし、図７のようにＳ方向のらせん２とＺ方向のらせん2´が組み合わされたものであってもよい。
このような２方向のらせんの組み合わせによれば、表面残留応力のバランスがよくなるので直進性が向上し、また、円周上における平坦面部の数が実質的に増すので、隙間形成数が多くなり、きめ細かく砥粒の介在を実現できる。また、クロス部分から進行方向前後に加工液を導くことができるので、いずれの方向からワイヤを走行させても切断部に的確に隙間を形成して砥粒を介在させることができる。

図８は本発明によるＳまたはＺ方向平坦面付きソーワイヤの製造装置と製造法を例示している。
３はワイヤボビン、４は捻線機、８は巻収ボビンであり、それらは直列状に配置されている。前記捻線機４の中心の走行ラインを境として上側には、第１ガイドロール５ａとこれと組をなす第１ターンロール５ｂとが配され、下流部位には第２ターンロール５ｃとこれと組をなす第２ガイドロール５ｄが配されている。前記第１ガイドロール５ａと第１ターンロール５ｂは第１捻り部Ｔ1を構成し、第２ターンロール５ｃと第２ガイドロール５ｄは第２捻りＴ２部を構成する。

そして、捻線機４の中心の走行ライン上には、前記下流ガイドロール５ｄを経由したワイヤと直交状に対をなす圧延ロール６が少なくとも１組配され、その下流にワイヤを数回巻回できるキャプスタン７が配されている。
この例では圧延ロール６は位相を変位した２組が所定の間隔をおいて配されている。これら圧延ロールは固定軸受け架台などに搭載されており、図示しないギャップ調整機構により圧下量が調整されるようになっている。

前記キャプスタン７の下流には第３ガイドロール５ｅが位置し、捻線機４の中心の走行ラインを境として下側には、前記第３ガイドロール５eと組をなして第１捻り戻し部ＴＢ1を構成する第３ターンロール５ｆが配され、この第３ターンロール５ｆの下流の走行ライン上には、第３ターンロール５ｆと組をなして第２捻り戻し部ＴＢ２を構成する第４ガイドロール５ｇが配されており、第４ガイドロール５ｉを経由したワイヤが巻収ボビン８に導かれるようになっている。
前記第１、第２捻り部Ｔ1，Ｔ２と第１、第２捻り戻し部ＴＢ１，ＴＢ２は捻線機４の走行ラインを中心として時計方向または反時計方向に回転されるようになっている。

ボビン３には素材ワイヤ１´が巻収されている。素材ワイヤ１´は高炭素鋼線材を伸線し、熱処理し、中間伸線後パテンティングなどの処理を行い、真鍮拡散メッキなどを施したのち最終湿式伸線を行った通常のものである。
この素材ワイヤ１´を前記した経路で巻収ボビン８に導き、捻線機４を作動すれば、素材ワイヤ１´は図１０（ａ）の状態にあったものが、第１と第２捻り部Ｔ1，Ｔ２において長手方向に２回の捻りが入れられて図１０（ｂ）のような状態になる。この２回捻りが加えられた状態のワイヤは捻線機４の下流から走行ラインに導かれる。

このライン上には、圧延ロール６が位置しているので、そのギャップ間を捻りワイヤは通過していく。捻りを何も加えていないワイヤである場合には、前記圧延ロール６を通過すると、断面の１８０度対称位置に長手方向に沿った直線状の平坦面部が形成されるが、前記のようにワイヤが捻られているので、その捻りでロール圧下位置が斜めにずれることになる。このため、図１０（ｃ）のように１８０度対称位置での圧下による平坦面２，２はねじりに応じたらせんを描く。
そして、実施例のように下流にもう一組の圧延ロール６が９０度位相をずらしてある場合には、ここで前回と９０度位相のずれた平坦面が圧延され、その平坦面は同様にらせん状になる。

このように圧延されたワイヤは、キャプスタン７から第１、第２捻り戻し部ＴＢ１，ＴＢ２を通過し、この間に２回捻りが戻されて直線性が与えられ、巻収ボビン８に巻収される。これで図３のような本発明ワイヤが連続的に製造される。なお、場合によっては、捻線機４と巻収ボビン８の間で通常使用されているロール掛けを行い、癖をとってもよい。

図６（ａ）の２箇所の平坦面部を有するものを作る場合には、圧延部６を１組だけ用いればよく、（ｄ）のように６箇所に設ける場合には、３組の圧延ロールを１２０度ずつ位相をずらせて配置すればよい。３箇所、５箇所の場合には３個、５個で一組の圧延ロールを用いればよい。

図９は本発明のＳ・Ｚ方向混在型平坦面付きソーワイヤの製造装置と製造法を例示している。
この場合には、第１捻線機4Ａと第２捻線機４Ｂをタンデムに配置し、それらの間に中間ボビンまたはキャプスタン９を介在させ、第１捻線機4Ａと第２捻線機４Ｂの回転方向を逆にして操業するものである。圧延ロール６は同じ位相のものを配置すればよい。
こうすれば、第１捻線機４Ａにおいて、前記のようにらせん状の平坦面部２，２が形成されたワイヤ１が作られ、そのワイヤ１は第２捻線機４Ｂにおいて、第１と第２捻り部Ｔ1，Ｔ２において長手方向に２回の捻りが入れられ、次いで、圧延ロール６されることにより逆向きのらせん状平坦面に圧延され、キャプスタン７から第１、第２捻り戻し部ＴＢ１，ＴＢ２を通過する間に２回捻りが戻され、巻収ボビン８に巻収される。
これにより、図７に示すようなソーワイヤを連続的に製造することができる。

なお、断面上に一箇所だけの平坦面部２を形成する場合には、捻線機内にワイヤの半断面程度の曲率凹入面を有する受け部材を用い、曲率凹入面に接触させながらワイヤを走らせ、受け部材の上方にワイヤ長手方向と直行状に圧延ロールを配して局部圧下を施せばよい。
なお、ワイヤーソーは各種タイプを使用することができ、限定はない。

遊離砥粒式ワイヤソーによる切断加工状態を例示する正面図である。 （ａ）従来のソーワイヤによる切断状態を模式的に示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 （ａ）は本発明によるソーワイヤの一実施例を示す拡大側面図、（ｂ）はその拡大図である。 図３の実施例の拡大断面図である。 （ａ）は本発明ソーワイヤの使用状態を示す縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明ソーワイヤの他の例を示す断面図である。 本発明ソーワイヤの他の例を示す側面図である。 本発明によるソーワイヤ製造法の第１実施例を示す側面図である。 平坦面部の付けられる状態を併示した本発明によるソーワイヤ製造法の第２実施例を示す側面図である。 （ａ）は素材ワイヤの側面図、（ｂ）は捻りを加えた状態の側面図、（ｃ）は平坦面部形成のための圧延状態を示す側面図である。

符号の説明

１ ワイヤ
２ 平坦面部
４ 捻線機
４Ａ 第１捻線機機
４Ｂ 第２捻線機機
６ 圧延ロール
Ｔ1 第１捻り部
Ｔ２ 第２捻り部
ＴＢ１ 第１捻り戻し部
ＴＢ２ 第２捻り戻し部

Claims (5)

1. 溝つきローラに列状に巻き掛けて長手方向に走行させ、インゴット状の被切断物に押し付けながら被切断物との間に砥粒を含有する加工液を注いで薄層片に切断するワイヤソーマシンに用いられるワイヤにおいて、ワイヤが円形断面の１個所以上に圧延された平坦面を有し、その平坦面がワイヤ長手方向でらせん状に連続していることを特徴とするソーワイヤ。
2. 平坦面が２箇所以上ワイヤ円周上で等間隔にあり、平坦面とワイヤ基本断面円形との最大距離が１０〜１００μｍである請求項１に記載のソーワイヤ。
3. 平坦面のらせんが、時計回りと反時計回りの混合したものである請求項１または２に記載のソーワイヤ。
4. 伸線された真円状断面のワイヤに捻りを加え、この捻り状態のワイヤを長手方向に移動させつつ圧延手段にてワイヤ断面を局部的に圧延し、圧延後に捻れを戻すことを特徴とするソーワイヤの製造法。
5. ワイヤに捻りを加え、このねじり状態のワイヤに対して圧延手段にて圧延し、圧延後に捻れを戻し、次いで前記第１回目の捻りと逆方向の捻りを加え、このねじり状態のワイヤに対して圧延手段にて圧延し、圧延後に捻れを戻す請求項４に記載のソーワイヤの製造法。

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