JP2011051020A

JP2011051020A - ワイヤソー用のメインローラ、および、ワイヤソー

Info

Publication number: JP2011051020A
Application number: JP2009185979A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Okubo; 勝也大久保; Takio Komine; 太紀雄小嶺
Original assignee: MARUZEN RUBBER KK; Sumco Corp
Current assignee: MARUZEN RUBBER KK; Sumco Corp
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-08-10
Also published as: JP5452124B2

Abstract

【課題】長寿命化を容易に図れるワイヤソー用のメインローラの提供。
【解決手段】メインローラ２を、芯金２１の外周面２１１を覆う内側層２２と、この内側層２２を覆いかつ内側層２２よりも軟らかい外側層２３とで構成した。このため、メインローラ２の外径寸法を従来のメインローラの外径寸法とほぼ同じにしたまま、外側層２３を従来の樹脂層よりも薄くできるので、ワイヤーの押付力による変形量を少なくでき、品質を落とすことなく単結晶インゴットを切断できる期間を長くできる。また、芯金２１と外側層２３との間に内側層２２を設けているため、ワイヤーで外側層２３が削られたとしても芯金２１が削られるまでの期間を長くすることができ、芯金２１の破損を抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤソー用のメインローラ、および、ワイヤソーに関する。

一般的に、半導体ウェハ（以下、単に、ウェハと称す）の製造には、メインローラで送られるワイヤーにより切断対象物を切断するワイヤソーが用いられている。このようなワイヤソーでは、メインローラを長期間使用すると、ワイヤーにより削られてしまうため、メインローラ自体の交換などの作業が必要となる。そこで、このような作業を減らして生産性を向上するために、メインローラの寿命を延ばす方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１では、メインローラを硬質ポリウレタン樹脂で構成し、その表面に対して低温酸素プラズマ処理を施すことで、メインローラの寿命を延ばしている。

特開平１１−２６２８５３号公報

ところで、特許文献１のような構成に用いるワイヤソーには、図６（Ａ）に示すように、ステンレス製の芯金８１と、ポリウレタン樹脂などにより円筒状に形成されて芯金８１の覆う樹脂層８２と、を備えたメインローラ８が用いられることがある。この樹脂層８２の肉厚寸法Ｅ１は、一般的なメインローラの樹脂層において使用可能な領域とされている肉厚寸法（以下、使用可能寸法と称す）と、使用不可能な領域とされている肉厚寸法（以下、使用不可能寸法と称す）とを合計した値（以下、一般設定寸法値と称す）に設定されている。なお、使用可能寸法は、一般的に、５ｍｍ〜１０ｍｍである。
また、樹脂層８２に設けられた溝８２１には、ワイヤー７が押し付けられている。このワイヤー７は、３個のメインローラ８を１つにまとめるように螺旋状に設けられている。このため、樹脂層８２には、円筒状の軸方向（図６（Ａ）の左右方向）に対して斜めの方向（矢印Ｙ１で示す方向）の押付力が作用する。

しかしながら、樹脂層８２の肉厚寸法Ｅ１が一般設定寸法値に設定されている場合、ワイヤー７の押付力により、図６（Ｂ）に示すように、樹脂層８２が斜めに押しつぶされて変形して、切断されて得られたウェハの品質が悪くなるまでの期間（寿命）が短くなるおそれがある。
そこで、図７（Ａ）に示すように、樹脂層８２よりも薄い（肉厚寸法Ｅ２が肉厚寸法Ｅ１よりも小さい）樹脂層９２を芯金８１に設けたメインローラ９を適用すれば、図７（Ｂ）に示すように、樹脂層９２の変形量が少なくなり寿命を長くすることができる。
しかしながら、図７（Ａ）のような構成では、溝９２１の底部と芯金８１との間隔が小さくなり、品質が良いウェハを得られる状態でも、ワイヤー７により樹脂層９２とともに芯金８１も削られてしまうおそれがある。

本発明の目的は、長寿命化を容易に図れるワイヤソー用のメインローラ、および、ワイヤソーを提供することにある。

本発明のワイヤソー用のメインローラは、切断対象物をワイヤーで切断するワイヤソー用のメインローラであって、円柱状または円筒状のローラ基部材と、樹脂材料を含む材料により略円筒状に形成されて前記ローラ基部材の外周面を覆う内側層と、樹脂材料により略円筒状に形成されて前記内側層の外周面を覆いかつ前記ワイヤーが押し付けられる外側層と、を備え、前記外側層は、前記内側層よりも軟らかく形成されていることを特徴とする。

ここで、切断対象物としては、半導体の単結晶インゴット、水晶、ガラス、セラミックス、石英、磁性体など、切断可能ないずれの物体を対象とすることができる。また、ローラ基部材としては、ステンレスなどの金属製のものであっても良いし、樹脂製のものであっても良い。さらに、内側層に用いられる材料としては、ポリウレタン、レジン、ガラスファイバー、カーボンファイバーが例示できる。また、外側層に用いられる材料としては、ポリウレタンが例示できる。
この発明によれば、ローラ基部材を覆う内側層の外周面に、この内側層よりも軟らかい外側層を設けているため、樹脂層を１層のみ設ける従来のメインローラと外径寸法を略等しくしたまま、外側層を従来の樹脂層よりも薄くできる。したがって、ワイヤーの押し付けによる外側層の変形量を少なくできるため、品質を落とすことなく切断対象物を切断できる期間を長くすることができる。また、外側層がワイヤーで削られたとしても、その次には内側層が削られるだけなので、ローラ基部材が削られて破損することを抑制できる。

本発明のワイヤソー用のメインローラでは、前記外側層は、前記内側層における前記略円筒状の軸方向の端面を覆うように設けられていることが好ましい。
ここで、内側層の軸方向の端面を露出させた場合、ワイヤソーの動作時に供給されるスラリー状の砥液が内側層に触れてしまうことで内側層が膨潤してしまい、メインローラの長寿命化を図れないおそれがある。
これに対して、この発明では、内側層の軸方向の端面を外側層で覆うことで、砥液が内側層に触れることを防止でき、メインローラの長寿命化を図ることができる。

本発明のワイヤソー用のメインローラでは、前記内側層は、ガラスファイバーまたはカーボンファイバーを主成分とする内側層用材料により形成されていることが好ましい。
この発明によれば、内側層の主成分をガラスファイバーやカーボンファイバーとすることで、主成分をポリウレタンやレジンなどの樹脂とする構成と比べて、内側層の硬度を高くすることができる。したがって、内側層が削れることを抑制でき、ローラ基部材の破損も防止できる。

本発明のワイヤソー用のメインローラでは、前記内側層は、テープ状の前記内側層用材料を前記ローラ基部材に螺旋状に巻くことにより形成されていることが好ましい。
この発明によれば、ローラ基部材にテープ状の内側層用材料を螺旋状に巻くことで、内側層の強度を高めることができ、ローラ基部材の破損を防止できる。

本発明のワイヤソー用のメインローラでは、前記内側層は、ポリウレタンまたはレジンにより形成されていることが好ましい。
この発明によれば、例えばローラ基部材の周りに設けた型にポリウレタンやレジンを流し込んで固めるだけの容易な工程で内側層を形成できる。

本発明のワイヤソー用のメインローラでは、前記外側層は、ポリウレタンにより形成されていることが好ましい。
この発明によれば、例えば内側層の周りに設けた型にポリウレタンを流し込んで固めるだけの容易な工程で内側層を形成できる。

本発明のワイヤソーは、上述のワイヤソー用のメインローラを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、ワイヤソーの長寿命化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係るワイヤソーの概略構成を示す模式図である。前記第１，第２実施形態におけるメインローラの部分断面図である。前記第１実施形態におけるアスカーＡの硬度計によるポリウレタンの硬度と、ヤング率との関係を示すグラフである。前記第１実施形態におけるメインローラの作用の説明図であり、（Ａ）は外側層の変形前の状態を示す断面図であり、（Ｂ）は外側層の変形後の状態を示す断面図である。前記第２実施形態における内側層の製造方法を示す斜視図である。従来のメインローラの作用の説明図であり、（Ａ）は樹脂層の変形前の状態を示す断面図であり、（Ｂ）は樹脂層の変形後の状態を示す断面図である。従来の他のメインローラの作用の説明図であり、（Ａ）は樹脂層の変形前の状態を示す断面図であり、（Ｂ）は樹脂層の変形後の状態を示す断面図である。

本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
〔ワイヤソーの構成〕
まず、第１実施形態のワイヤソーの構成について説明する。図１は、ワイヤソーの概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、ワイヤソー１は、被切断物としての単結晶インゴットＴを切断して、図示しない略円板状の半導体ウェハを製造する装置である。このワイヤソー１は、略同一水平面上に２個、これら２個の略中間の下方に１個配置された合計３個のメインローラ２を備えている。これら３個のメインローラ２の周りには、軸方向（図１の紙面垂直方向）に沿って螺旋状にワイヤー７が巻き付けられている。ワイヤー７の両端側には、それぞれ２個ずつのガイドローラ３を介してワイヤー７を送り出したり巻き取ったりするワイヤーリール４が設けられている。さらに、上側の２個のメインローラ２（以下、上側メインローラ２と適宜称す）の上方には、２個の上側メインローラ２の中間位置にスラリー状の砥液Ｇを供給するノズル５がそれぞれ設けられている。
そして、ワイヤソー１は、メインローラ２およびガイドローラ３を同じ方向に回転させるとともに、一方のワイヤーリール４で送り出したワイヤー７を他方のワイヤーリール４で巻き取り、２個の上側メインローラ２間に砥液Ｇを供給しつつ単結晶インゴットＴを下方に移動させることで、単結晶インゴットＴを切断して半導体ウェハを製造する。

〔メインローラの構成〕
次に、メインローラ２の詳細な構成について説明する。図２は、メインローラの部分断面図である。
図２に示すように、メインローラ２は、ステンレス製で円柱状のローラ基部材としての芯金２１を備えている。
また、メインローラ２は、芯金２１を覆うように設けられた内側層２２を備えている。この内側層２２は、例えばポリウレタンにより円筒状に形成されており、芯金２１の外周面２１１を覆うように設けられている。そして、内側層２２は、日本ゴム協会標準規格（ＳＲＩＳ）に規定されたアスカーＡの硬度計（以下、アスカーＡ硬度計と称す）による硬度が９７度に設定されている。

また、メインローラ２は、内側層２２を覆うように設けられた外側層２３を備えている。この外側層２３は、例えば内側層２２と同様にポリウレタンにより円筒状に形成されており、内側層２２の外周面２２１と内側層２２の軸方向両端側の端面２２２とを覆い、かつ、軸方向の両端側が芯金２１の外周面２１１に密着するように設けられている。そして、外側層２３は、肉厚寸法Ｄ１が使用可能寸法であり、アスカーＡ硬度計による硬度が９０度に設定されている。さらに、外側層２３の外周面２３１には、ワイヤー７が押し付けられる溝２３２（図４（Ａ）参照）が所定間隔で設けられている。

ここで、内側層２２と外側層２３の硬度は、上述の硬度に限らず、外側層２３が内側層２２よりも軟らかいという条件を満たせば、いかなる値であっても良いが、外側層２３の硬度が９０度〜９５度で、内側層２２の硬度が９５度以上であることが好ましい。
ここで、アスカーＡ硬度計によるポリウレタンの硬度と、ヤング率とは、図３に示す関係を有している。つまり、外側層２３は、ヤング率が２１５ＧＰａ〜４５２ＧＰａであることが好ましく、内側層２２は、ヤング率が４５２ＧＰａ〜１０００ＧＰａであることが好ましい。
外側層２３のヤング率が２１５ＧＰａ未満だと、たわみが大きく、また、低鋼性のため、安定した高速運転が困難であるという不具合がある。
なお、内側層２２や外側層２３の形成方法としては、例えば芯金２１や内側層２２の周りに設けた型にポリウレタンを流し込んで固める方法が例示できる。
また、内側層２２の厚さ寸法は１８ｍｍ、外側層２３の厚さ寸法は１２ｍｍにそれぞれ設定されている。つまり、内側層２２と外側層２３との厚さ寸法の比率は、６：４に設定されている。

〔メインローラの作用〕
次に、メインローラ２の作用について説明する。
なお、ここでは、以下の３個の条件を満たす場合を例示して説明する。
・内側層２２の肉厚寸法Ｄ２が、図７（Ａ）に示す従来例のメインローラ９の樹脂層９２の肉厚寸法Ｅ２とほぼ同じ。
・肉厚寸法Ｄ１と肉厚寸法Ｄ２の合計肉厚寸法Ｄ３が、図６（Ａ）に示す従来例のメインローラ８の樹脂層８２の肉厚寸法Ｅ１とほぼ同じ。
・外側層２３の硬度が、樹脂層８２，９２の硬度とほぼ同じ。
図４は、メインローラの作用の説明図であり、（Ａ）は外側層の変形前の状態を示す断面図であり、（Ｂ）は外側層の変形後の状態を示す断面図である。

図４（Ａ）に示すように、メインローラ２の外側層２３の溝２３２には、ワイヤー７による矢印Ｙ１方向への押付力が作用する。そして、この押付力により、図４（Ｂ）に示すように、外側層２３は、斜めに押しつぶされて変形する。
このとき、メインローラ２の合計肉厚寸法Ｄ３は、メインローラ８の肉厚寸法Ｅ１とほぼ同じであるが、外側層２３の変形量は、樹脂層８２よりも少なく、樹脂層９２とほぼ同じになる。また、内側層２２を外側層２３よりも硬くしているため、外側層２３の変形に追従する内側層２２の変形量は、最小限に抑えられる。

〔第１実施形態の作用効果〕
上述したような第１実施形態では、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）メインローラ２を、芯金２１の外周面２１１を覆う内側層２２と、この内側層２２を覆いかつ内側層２２よりも軟らかい外側層２３とで構成している。
このため、メインローラ２の合計肉厚寸法Ｄ３をメインローラ８の肉厚寸法Ｅ１とほぼ同じにしたまま、外側層２３を樹脂層８２よりも薄くできるので、ワイヤー７の押付力による変形量を少なくでき、品質を落とすことなく単結晶インゴットＴを切断できる期間を長くできる。また、芯金２１と外側層２３との間に内側層２２を設けているため、ワイヤー７で外側層２３が削られたとしても芯金２１が削られるまでの期間を長くすることができ、芯金２１の破損を抑制できる。
さらに、メインローラ２の合計肉厚寸法Ｄ３を従来と略等しくしたまま、上記の効果を得ることができるため、従来のワイヤソーへの展開を容易に図ることができる。また、従来のメインローラ８では、樹脂層８２が使用可能寸法だけ削れて寿命となったときには、使用不可能寸法に対応する部分も剥がして樹脂層８２全体を交換する必要があるが、上記実施形態では、外側層２３が使用可能寸法だけ削れて寿命となったときには、内側層２２を残したままで外側層２３のみを圧入して設ければ良いため、メインローラ２の維持管理コストを低減できる。

（２）外側層２３を、内側層２２の端面２２２を覆うように設けている。このため、内側層２２に砥液Ｇが触れることを防止でき、メインローラ８の長寿命化を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態として、上記第１実施形態のワイヤソー１のメインローラ２の代わりに用いられるメインローラ２Ａについて説明する。
〔メインローラの構成〕
この第２実施形態のメインローラ２Ａは、図２に示すように、第１実施形態のメインローラ２の内側層２２の代わりに内側層２２Ａを設けたこと以外、メインローラ２と同様の構成を有している。
そして、この内側層２２Ａは、図５に示すように、芯金２１の外周面２１１に、テープ状の内側層用材料としてのガラスファイバーテープ２２３Ａを螺旋状に繰り返し巻くことにより厚さ寸法が１８ｍｍの円筒状に形成されている。ガラスファイバーテープ２２３Ａは、主成分であるガラスファイバーにウレタンを含浸させることで、厚さ寸法が０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍ、幅寸法が内側層２２Ａよりも小さい３０ｍｍ〜５００ｍｍのテープ状に形成されている。そして、内側層２２Ａは、ロックウェルＭスケールの硬度計（以下、ロックウェルＭ硬度計と称す）による硬度が１１５ＨＲＭに設定され、アスカーＡ硬度計による硬度が９０度の外側層２３よりも硬く形成されている。
つまり、弾性変形量に基づき硬度を測定するアスカーＡ硬度計により、内側層２２Ａと外側層２３との硬度を測定しようとすると、押針の押込力で弾性変形する外側層２３の硬度を適切に測定できるが、上記押込力で弾性変形しない内側層２２Ａの硬度を測定できない。一方、塑性変形量に基づき硬度を測定するロックウェルＭ硬度計により、内側層２２Ａと外側層２３との硬度を測定しようとすると、試験荷重で塑性変形する内側層２２Ａの硬度を適切に測定できるが、試験荷重で塑性変形せずに弾性変形する外側層２３の硬度を測定できない。
以上のことから、内側層２２Ａは外側層２３よりも硬く（外側層２３は内側層２２Ａよりも軟らかく）形成されていると言える。
なお、内側層２２Ａの硬度としては、ロックウェルＭ硬度計の測定による硬度が、１１５ＨＲＭ〜１２０ＨＲＭであることが好ましい。

〔第２実施形態の作用効果〕
上述したような第２実施形態では、上記第１実施形態の（１）、（２）と同様の作用効果に加えて、以下のような作用効果を奏することができる。
（３）内側層２２Ａをガラスファイバーテープ２２３Ａで形成しているため、ポリウレタンから構成された第１実施形態の内側層２２よりも硬度を高めることができ、芯金２１の破損を防止できる。

（４）テープ状のガラスファイバーテープ２２３Ａを螺旋状に巻くことで内側層２２Ａを形成している。このため、内側層２２Ａの強度を高めることができ、芯金２１の破損を防止できる。

［他の実施形態］
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更等が可能である。
すなわち、外側層２３で内側層２２の端面２２２を覆わずに、当該端面２２２を露出させても良い。
また、第２実施形態において、内側層２２Ａと同じ幅寸法のガラスファイバーテープを、芯金２１の軸方向に移動させずに巻くことで内側層２２Ａを形成してもよい。

次に、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、メインローラの外径寸法とメインローラライフ（メインローラが寿命となったときのロット数）との関係について調べた。

〔実験方法〕
まず、上記実施形態のワイヤソー１と同様の構成を有する以下の仕様のワイヤソーを準備した。
｛ワイヤソー｝
コマツＮＴＣ株式会社ＭＷＭ−４５４Ｂ
｛ワイヤー｝
ジャパンファインスチール株式会社０．１４ｍｍソーワイヤー
また、メインローラとして、図６（Ａ）に示すような一層の樹脂層からなる以下の仕様のものを準備した。
｛芯金｝
機械構造用炭素鋼鋼材直径φ１３５ｍｍ
｛樹脂層｝
エステル系ポリウレタン、エーテル系ポリウレタン

そして、外径寸法が異なるメインローラを用いて、砥液＃２５００を供給しながら直径寸法が２００ｍｍの単結晶インゴットを１切断当りインゴット総長４５０ｍｍまでを切断する工程を１ロットとして、メインローラライフを調べた。
なお、Ｗａｒｐ（ソリ）の値がＣｐｋ１．３３未満のときにメインローラが寿命となったと判断した。また、メインローラライフが５０ロット以下の場合を、ショートライフとした。
その結果を以下の表１に示す。

表１に示すように、樹脂層の肉厚寸法が小さくなるほど、ショートライフの発生確率が低くなる、つまりメインローラの寿命を長くなることがわかった。
このことから、本願発明のように、メインローラの内側層と外側層の合計肉厚寸法を従来のメインローラの樹脂層肉厚寸法とほぼ同じにしたまま、外側層を樹脂層よりも薄くすることで、ワイヤーの押付力による変形量を少なくでき、メインローラの寿命を延ばすことができることが確認できた。

１…ワイヤソー
２，２Ａ…メインローラ
７…ワイヤー
２１…ローラ基部材としての芯金
２２，２２Ａ…内側層
２３…外側層
２２３Ａ…内側層用材料としてのガラスファイバーテープ
Ｔ…被切断物としての単結晶インゴット

Claims

切断対象物をワイヤーで切断するワイヤソー用のメインローラであって、
円柱状または円筒状のローラ基部材と、
樹脂材料を含む材料により略円筒状に形成されて前記ローラ基部材の外周面を覆う内側層と、
樹脂材料により略円筒状に形成されて前記内側層の外周面を覆いかつ前記ワイヤーが押し付けられる外側層と、を備え、
前記外側層は、前記内側層よりも軟らかく形成されていることを特徴とするワイヤソー用のメインローラ。
請求項１に記載のワイヤソー用のメインローラであって、
前記外側層は、前記内側層における前記略円筒状の軸方向の端面を覆うように設けられていることを特徴とするワイヤソー用のメインローラ。
請求項１または請求項２に記載のワイヤソー用のメインローラであって、
前記内側層は、ガラスファイバーまたはカーボンファイバーを主成分とする内側層用材料により形成されていることを特徴とするワイヤソー用のメインローラ。
請求項３に記載のワイヤソー用のメインローラであって、
前記内側層は、テープ状の前記内側層用材料を前記ローラ基部材に螺旋状に巻くことにより形成されていることを特徴とするワイヤソー用のメインローラ。
請求項１または請求項２に記載のワイヤソー用のメインローラであって、
前記内側層は、ポリウレタンまたはレジンにより形成されていることを特徴とするワイヤソー用のメインローラ。
請求項１から請求項５のいずれかに記載のワイヤソー用のメインローラであって、
前記外側層は、ポリウレタンにより形成されていることを特徴とするワイヤソー用のメインローラ。
請求項１から請求項６のいずれかに記載のワイヤソー用のメインローラを備えていることを特徴とするワイヤソー。