JP2012135870A - 切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイアの切断能率を上げ、切断時間を短縮できる切断方法を提供する。
【解決手段】ワイヤソーを用いたサファイアの切断方法であって、化学作用を有する砥粒２を含む溶液３をワイヤ６が被工作物４を切断している切断部に供給しながら切断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サファイアの切断方法に関する。詳しくは、ワイヤを利用してサファイアを切断する、いわゆるワイヤソーを用いたサファイアの高能率な切断方法に関するものである。

図７に、従来のワイヤソーを用いた被工作物の切断方法の概略構成を示す。図７に示すように、一般的なワイヤソー１０１は、ワイヤ供給・回収ユニット（図示せず）から繰り出された被工作物切断用のワイヤ１０２を、複数本の溝付ローラ１０３〔１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ〕にコイル状に巻き架け、これを再び該ワイヤ供給・回収ユニットに回収するように構成されている。サファイアインゴットの披加工物１０４の切断時には、ラッピングオイルに遊離砥粒を含ませたスラリー１０５をスラリーノズル１０６から供給しながら、該溝付ローラ１０３〔１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ〕間で高速に往復走行中のワイヤ列に対して、押し付け部材１０７によりプレート上に固定された被工作物１０４を押し付ける。その結果、遊離砥粒の研削作用により、多数枚のサファイアウェアに切断される。使用済みのスラリー状の砥液１０５は、回収容器１０８に回収される。

ワイヤソーを用いた被工作物の切断方法については、例えば特許文献１、２及び３等に開示されている。

一方、サファイアウェハは、半導体素子、例えば化合物半導体系発光素子の基板として用いられている。化合物半導体系発光素子は、サファイアウェハ上に格子整合する所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させて製造される。図６に、サファイアのウェハ加工工程を示す。一般に、サファイアのウェハ加工は、先ずスライシング工程Ｓ１により、サファイアインゴットから各ウェハに切り出す。このウェハの切り出しは、例えば上述のワイヤソーを用いて行われる。次に、ラッピング工程Ｓ２で、ウェハ面の平坦化、大きな傷の除去、ウェハ厚の寸法調整等が行われる。次に、ポリシング工程Ｓ３、すなわちＣＭＰ（化学機械研磨）工程で、ウェハ面の鏡面研磨が行われる。このとき、ウェハ厚の寸法変化は、ほとんどない。この鏡面研磨により、平坦でかつ鏡面を有するサファイアウェハが得られ、目的のサファイアウェハが完成する（工程Ｓ４）。

特開平１１−１９８０１９号公報 特開平１０−１２８７３７号公報 特開平１０−３４０８６８号公報

上述したワイヤソーは、直線状に多数枚同時に切断することが得意である。しかし、切断速度が極めて遅く、切断に多大な時間がかかってしまうという問題点がある。一方、半導体素子の基板として用いられるサファイアウェハの加工工程においても、図６のスライシング工程Ｓ１に多大な時間がかかるため、このスライシング工程での時間短縮が望まれている。

本発明は、上述の点に鑑み、サファイアの切断能率を上げ、切断時間を短縮できる切断方法を提供するものである。

本発明に係る切断方法は、ワイヤソーを用いたサファイアの切断方法であって、化学作用を有する砥粒を添加した溶液をワイヤが被工作物を切断している切断部に供給しながら切断することを特徴とする。

本発明に係る切断方法の好ましい形態は、上記切断方法において、切断用ワイヤに固定砥粒ワイヤを用い、化学作用を有する砥粒を添加した溶液を切断部に供給しつつ切断することを特徴とする。

本発明に係る他の切断方法は、上記切断方法において、切断用ワイヤに遊離砥粒ワイヤを用い、遊離砥粒用スラリーと化学作用を有する砥粒を添加した溶液とを切断部に同時に供給しつつ切断することを特徴とする。

本発明に係る他の切断方法は、上記切断方法において、切断用ワイヤに遊離砥粒ワイヤを用い、化学作用を有する砥粒を添加した溶液に遊離砥粒を混ぜ合わせたスラリーを切断部に供給しつつ切断することを特徴とする。

本発明に係る他の切断方法の好ましい形態は、上記切断方法において、上記溶液、または上記スラリー、又は上記溶液とスラリーを溶液槽に満たし，切断部を溶液漕中で切断することを特徴とする。

本発明の切断方法では、サファイアの切断部に、化学作用を有する砥粒とサファイアとが化学反応を起こして化学反応層が生成される。この化学反応層をワイヤにより削り取る。この繰り返しによりサファイアは容易に切断されることになる。

本発明に係る切断方法によれば、サファイアの切断能率を上げ、切断時間を短縮できる。サファイアの切断の高能率化が図れる。

Ａ，Ｂ 本発明に係る切断方法の原理を説明するための断面模式図である。 本発明に係る切断方法の第１実施の形態の説明に供する切断装置の要部の概略構成図である。 図２の切断装置を備えたＮＣ工作機械の要部の概略構成図である。 表１の被削物送り量Ｌと切断距離Ｌｃを示す説明図である。 本発明に係る第１実施の形態の切断方法と従来の切断方法の切断能率を示す図である。 サファイアウェハの加工工程図である。 従来のワイヤソーを用いた切断方法の一例を示す概略構成図である。

本発明の実施の形態に係る切断方法は、切断用のワイヤによる被工作物であるサファイアの切断部にＣＭＰスラリー溶液を常に供給しながら切断する切断方法である。以下に、図１を用いて、本実施の形態の切断方法の原理を説明する。

図１は、本発明の原理の断面模式図である。本実施の形態では、溶液槽１内に化学作用を有する砥粒２を添加した溶液３内に、被加工物であるサファイア４と、切断用砥粒５、本例では固定砥粒、を有する切断用のワイヤ６が配置される。この溶液３は、いわばＣＭＰ用スラリーに相当する。

図１Ａは切断前の状態である。この状態から、図１Ｂの切断状態に入る。サファイア４とワイヤ６とが相対的に切断方向に移動する。図１Ｂでは、ワイヤ６は紙面垂直方向に走行しながら、サファイア４へ向かって矢印ａ方向に移動する。そのため化学作用を有する砥粒２がワイヤ６とサファイア４の間に供給され，切断部の面に化学反応層７を形成する。サファイア４の化学反応層７は、ワイヤ６に一体の切断用砥粒５により削り取られるが、次の切断用砥粒５が切断部に到達する前に、化学作用を有する砥粒２がワイヤ６とサファイア４の間に供給され，切断部の面に新たな化学反応層７を形成する。これを繰り返すことで、切断が促進される。

［第１実施の形態］
図２に、本発明に係るサファイアの切断方法の第１実施の形態を示す。図２はサファイアの切断加工に供する切断装置の一部の概略図である。図３はこの切断装置を搭載したＮＣ工作機械の要部の概略図である。本実施の形態の切断装置１０は、図２に示すように、化学作用を有する砥粒２を添加した溶液３で満たされた溶液槽１と、溶液槽1内に浸漬配置された被加工物であるサファイア４と、切断に供するワイヤ６を有して構成される。本例では化学作用を有する砥粒２に酸化セリウム（ＣｅＯ２）を用いる。溶液３は、水に酸化セリウムを添加した水溶液を用いる。すなわち、本実施の形態では、酸化セリウム水溶液（溶液３）を溶液槽１内に満たす。

図３に示すように、溶液槽１は、ＮＣ工作機械のＸ軸テーブル１１に固定される。被加工物であるサファイア４は、ＮＣ工作機械のＺ軸１２に固定された固定アーム１３により垂下するように支持され、溶液３内に配置される。

一方、ワイヤ６は、固定砥粒ワイヤが用いられる（以下、ワイヤ４を固定砥粒ワイヤという）。固定砥粒ワイヤ６は芯線の表面に固定砥粒が固着されて形成される。固定砥粒ワイヤ６は、サファイア４に対向する部分にサファイア４の進入を可能にする凹部１５を有するワイヤ固定アーム１４に支持される。ワイヤ固定アーム１４は、Ｘ軸テーブル１１に固定される。固定砥粒ワイヤ６は、ワイヤ固定アーム１４の側面に一体のワイヤガイド１７に案内されて、サファイア４に対向する部分では上から下へ向かって走行されるように配置される。

サファイア４に対する切断加工は、次のように行われる。固定砥粒ワイヤ６は、Ｘ軸テーブル１１に固定されたワイヤ固定アーム１４のワイヤガイド１７を通じて溶液３中に図の上から下へ向かって矢印ｂ方向に走行する。固定砥粒ワイヤ６は、上から下へ走行しながら、ワイヤ固定アーム１４、溶液槽３とともにＸ軸テーブル１１によりサファイア４に向かって矢印ａ方向に送られ、切断が行われる。

図４に示すように、固定砥粒ワイヤ６を、サファイア４を切断し始めてからＸ軸テーブル１１により所定の被削物送り量Ｌを与えると、切断により発生する力で固定砥粒ワイヤ６がたわみ、実際の切断距離Ｌｃは被削物送り量Ｌより短くなる。被削物送り量Ｌを１０ｍｍとし、空気中、水中、水溶液（溶液３）中で比較した切断距離Ｌｃを表１に示す。水溶液（溶液３）の酸化セリウムの含有量は、０．１ｗｔ％。１ｗｔ％、１０ｗｔ％の3種とした。

表１は、空気中と水中では切断距離Ｌｃがほとんど変わらないのに対して、ＣｅＯ_２水溶液（溶液３）中では切断距離Ｌｃが長くなっており、切断し易くなったことを示している。

図５は、第１実施の形態において酸化セリウムの含有量を０．１ｗｔ％としたときと、空気中切断（ドライ）との切断能率を比較したものである。図５の横軸は固定砥粒ワイヤ６の送り速度、縦軸はサファイア４の切断能率である。空気中切断（ドライ）では、送り速度５mm/minで切断能率は２mm/minであり、一方、酸化セリウム０．１ｗｔ％水溶液中切断では、送り速度１５mm/minで切断能率は６mm/minであり、切断能率が約３倍となっている。

直径３インチのサファイアインゴットからウェハ状に切断する場合、現状の空気中で固定砥粒によって切断する切断方法では、切断時間が８時間かかる。これに対して、第１実施の形態の切断方法で、例えば、上述の化学作用を有する砥粒（酸化セリウムＣｅＯ_２）の含有量が０．１ｗｔ％の水溶液中で固定砥粒ワイヤ６により切断を行うと、２．７時間で済む。

第１実施の形態に係る切断方法によれば、酸化セリウムとの化学反応による化学反応層が形成されるため、固定砥粒ワイヤ６による切断加工が容易に行え、サファイア４の切断能率が向上し、切断時間を短縮することができる。

第１実施の形態の切断方法を、半導体素子の基板として用いるサファイアウェハの加工でのスライシング工程に適用するときには、スライシング工程の時間短縮が図られ、サファイアウェハ加工工程の全体の加工時間を短縮することができる。

第1実施の形態において、酸化セリウムの含有量が多すぎると水溶液の粘度が高くなって供給および回収がやり難くなること、および酸化セリウムの原料費が高くなることから、１０ｗｔ％以下が好ましく、さらに１０ｗｔ％程度より少ない方が好ましい。より好ましくは１wt％以下が良く、０．１ｗｔ％でも十分な効果が得られるが、少なすぎると効果が得られないため、０．０１ｗｔ％程度以上が好ましい。

［第２実施の形態］
本発明に係るサファイアの切断方法の第２実施の形態を説明する。第２実施の形態に係るサファイアの切断方法は、図示しないが、被加工物であるサファイア４及び切断用のワイヤ４を化学作用を有する砥粒２を添加した溶液３内に浸漬せず、ノズルを介して溶液３をサファイア４の切断部に供給して切断を行う。より詳しくは、切断部とワイヤ４との間に溶液３を供給する。その他の構成は第１実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。

第２実施の形態に係る切断方法においても、第１実施の形態で説明したと同様に、サファイア４の切断部の表面に化学反応層が形成され、切断加工時にこの化学反応層がワイヤ６で削り取られる。この動作が繰り返されて切断加工が容易に行われるので、サファイア４の切断能率が向上し、切断時間を短縮することができる。

［第３実施の形態］
第１実施の形態及び第２実施の形態では、溶液３として化学作用を有する砥粒２を水に添加した水溶液を用いた。第３実施の形態では、溶液３として、化学作用を有する砥粒２を添加したアルカリ溶液を用いる。

第３実施の形態に係る切断方法によれば、溶液３として、化学作用を有する砥粒２を添加したアルカリ溶液を用いることにより、水溶液を用いる場合に比べて、さらに切断能率が向上し、切断時間の短縮を図ることができる。

［第４実施の形態］
本発明に係る第４実施の形態の切断方法は、切断用のワイヤ６として、遊離砥粒を芯線の表面に有する、いわゆる遊離砥粒用ワイヤを用いる。さらにサファイア４の切断部に対して、遊離砥粒を含むスラリー、いわゆる遊離砥粒用スラリーと、化学作用を有する砥粒を添加した溶液とを同時に供給しながら切断する。

第４実施の形態に係る切断方法によれば、遊離砥粒用ワイヤを用い、サファイア４の切断部に遊離砥粒用スラリーと化学作用を有する砥粒を添加した溶液とを同時に供給することにより、遊離砥粒との相乗効果でより切断能率が向上し、切断時間のさらなる短縮が可能になる。

［第５実施の形態］
本発明に係る第５実施の形態の切断方法は、切断用のワイヤ６として、遊離砥粒用ワイヤを用い、サファイア４の切断部に化学作用を有する砥粒を添加した溶液に遊離砥粒を混ぜ合わせたスラリーを供給しながら切断する。

第５実施の形態に係る切断方法によれば、遊離砥粒用ワイヤを用い、サファイア４の切断部に化学作用を有する砥粒を添加した溶液に遊離砥粒を混ぜ合わせたスラリーを供給することにより、遊離砥粒との相乗効果でより切断能率が向上し、切断時間のさらなる短縮が可能になる。

上述の実施の形態では、化学作用を有する砥粒として、酸化セシウム（ＣｅＯ_２）を用いたが、コロイダルシリカもしくは二酸化マンガンを用いることもできる。

また、第１実施の形態において、化学作用を有する砥粒を添加した溶液３に代えて、第２実施の形態の遊離砥粒用スラリーと、化学作用を有する砥粒を添加した溶液との混合溶液を用いることもできる。あるいは第１実施の形態において、化学作用を有する砥粒を添加した溶液３に代えて、第５実施の形態の化学作用を有する砥粒を添加した溶液に遊離砥粒を混ぜ合わせたスラリーを用いることもできる。

本発明の切断方法は、例えば、ＬＥＤ基板用サファイア加工、サファイアを用いた光学素子（一例として時計のレンズ部等）の加工、サファイアを用いた装飾品の加工などに利用できる。また本発明は、水晶、Ｓｉ、ＳｉＣ等の高硬度材料の加工にも利用できる。

１・・溶液槽、２・・化学作用を有する砥粒、３・・溶液、４・・被加工物（サファイア）、５・・切断用砥粒、６・・切断用のワイヤ、７・・化学反応層

Claims (10)

1. ワイヤソーを用いたサファイアの切断方法であって、化学作用を有する砥粒を添加した溶液をワイヤが被工作物を切断している切断部に供給しながら切断する
   ことを特徴とする切断方法。
2. 前記化学作用を有する砥粒を添加した溶液が水溶液である
   ことを特徴とする請求項１記載の切断方法。
3. 前記化学作用を有する砥粒を添加した溶液がアルカリ溶液である
   ことを特徴とする請求項１記載の切断方法。
4. 前記ワイヤが固定砥粒ワイヤである
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の切断方法。
5. 前記ワイヤが遊離砥粒用ワイヤであり、切断部に遊離砥粒用スラリーと化学作用を有する砥粒を添加した溶液とを同時に供給しながら切断する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに項記載の切断方法。
6. 前記ワイヤが遊離砥粒用ワイヤであり、切断部に化学作用を有する砥粒を添加した溶液に遊離砥粒を混ぜ合わせたスラリーを供給しながら切断する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の切断方法。
7. 前記化学作用を有する砥粒が酸化セリウムである
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の切断方法。
8. 前記化学作用を有する砥粒がコロイダルシリカである
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の切断方法。
9. 前記化学作用を有する砥粒が二酸化マンガンである
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の切断方法。
10. 前記溶液、又は前記スラリー、又は前記溶液及び前記スラリーを溶液槽中に満たし、前記切断部を溶液槽中で切断する
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の切断方法。