JP2014136270A - ワイヤソー、ワイヤソーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワイヤ径を必要以上に大きくすることなく、高い耐久性を有するワイヤソー等を提供する。
【解決手段】 ワイヤソー７は、主に芯材であるガラス線材１１、砥粒保持層１７、砥粒１９等から構成される。ガラス線材１１は、中心部の中心域１３と、中心域１３の外周に形成される外層１５の２層構造で構成される。中心域１３と外層１５は、ともにガラスであるが、互いの軟化温度が異なる。外層１５の軟化温度は、中心域１３の軟化温度よりも低い。また、外層１５には、ガラス線材１１の長手方向に対して、圧縮の残留応力が付与されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコンインゴットなどからウェハの切り出し等を行うのに適したワイヤソーに関するものである。

シリコンインゴットをスライス加工してシリコンウェハを得るためには、ピアノ線の外周に砥粒が保持されたワイヤソーを用いる方法がある。例えば、ピアノ線の外周部に樹脂により砥粒を保持させたものがある（特許文献１）。また、ピアノ線の外周部にめっき層により研粒を保持させたものがある（特許文献２）。

また、ワイヤソーの抗張力を高くするために、石英ガラスを素線として用いたワイヤソーが特許文献３に記載されている。

特許文献１ 特開２００４−３２２２９０号公報
特許文献２ 特開２０１０−２０１５４２号公報
特許文献３ 特開平１０−１５１５６０号公報

ワイヤソーを用いた切断方法においては、通常、ワイヤに張力を付与した状態で、被加工物を切断する。このためワイヤの破断の問題がある。このため、耐久性を確保するために、ワイヤ径を太くする必要がある。しかしながら、ワイヤ径が太くなると、被加工物の切断代が多くなるため、歩留まりが低下するという問題が生ずる。ここで、被加工部物は、もともと電子材料用途の材料が多いため、材料コストが比較的高いことが多いことから、切断時の寸法精度が維持できれば、極力切断代を少なくすることが望まれている。従って、ワイヤ径を必要以上に大きくすることなく、高い耐久性を有するワイヤソーが望まれる。

しかし、特許文献３のように高い抗張力を有する石英ガラスを素線とした場合、ピアノ線と比較して理論上は抗張力が向上するため、線径を細くできるものの、石英ガラスは曲げ変形などに対して弱いため、折損する恐れがある。

図８は、従来のガラス線材１００を線引きする際の固化状態の変化を示す図である。ガラス線材１００は、軟化温度以上で線引きされる。したがって、図８（ａ）に示すように、ガラス線材１００の内部１０３、外部１０１は、ともに軟化状態にある。この状態から、所定の張力が付与されて線引きされる。

図８（ｂ）は、ガラス線材１００が冷却されて、外部１０１が固化した状態（斜線部）を示す図である。図８（ｂ）に示すように、ガラス線材１００は外周から冷却が進むため、外部１０１が先に固化し、外部１０１が固化しても内部１０３は軟化状態として存在し、ガラス線材１００には張力Ｓが付与された場合には、この張力Ｓはすでに固化した外部１０１が受け持つこととなる。

さらに冷却が進むと、図８（ｃ）に示すように、内部１０３も固化（斜線部）する。すなわち、ガラス線材１００全体が固化する。最後に、ガラス線材１００の張力が解放される。この際、図８（ｄ）に示すように、外部１０１が受け持っていた引張応力によって、内部１０３は圧縮応力が残留する。すなわち、外部１０１の引張残留応力σＡと内部１０３の圧縮残留応力σＢがバランスした状態となる。

このように、外部１０１に引張応力が残留すると、外部１０１の曲げ変形や微小な欠陥を基点として、ガラス線材１００が容易に折損する恐れがある。このように、ガラスはガラス表面の傷や欠陥に応力が集中しやすく、理論上は高い抗張力を有するガラス線材を用いても、結果的には十分な耐久性を得ることが困難であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、ワイヤ径を必要以上に大きくすることなく、高い耐久性を有するワイヤソー等を提供することを目的とする。

前述した目的を達するために第１の発明は、ガラス線材と、前記ガラス線材の外周に設けられる砥粒保持層と、前記砥粒保持層で保持される砥粒と、を具備し、前記ガラス線材は、石英ガラスからなり、前記ガラス線材は、中心域と、前記中心域の外周に設けられ、前記中心域の軟化温度よりも軟化温度が低い外層とから構成され、前記外層は、軸方向に対して圧縮の残留応力を有することを特徴とするワイヤソーである。

前記ガラス線材と前記砥粒保持層との間には、保護樹脂層が設けられ、前記保護樹脂層の外周に前記砥粒保持層が形成されることが好ましい。

前記外層は、フッ素、塩素、ゲルマニウム、燐、カリウム、ナトリウム、リチウム、ボロンのいずれか１つ以上が添加された石製ガラスであることが望ましい。

前記外層は、塩素または水酸基を含有し、前記外層の塩素または水酸基の含有量が、前記中心域の塩素または水酸基の含有量よりも多くてもよい。

前記中心域は、溶融石英ガラスからなり、前記外層は、合成石英ガラスからなることが望ましい。

前記外層の厚みは、１μｍ以上であり、かつ、前記ガラス線材の外径の１／３以下であることが望ましい。また、ワイソーの砥粒保持層を含む、砥粒を除いた部分の線径は、少なくとも６０μｍ以上２２０μｍ以下である。さらに、砥粒保持層の下層にダイヤの食い込み防止のための樹脂層を設ける場合は、前記砥粒保持層を含む線径は、８０〜２６０μｍの範囲とすることが望ましい。ガラス線材の外径は、５０〜２００μｍの範囲であることが望ましく、さらに切断代を小さくしたり、硬質材を切断する場合には、５０〜１００μｍとすることが望ましい。尚、実際のワイヤソーの外径は、上記寸法に使用するダイヤの寸法が加わることになる。

前記外層の圧縮残留応力は、５ＭＰａ以上であることが望ましい。さらには５０Ｍｐａ以上であることがより望ましい。

第１の発明によれば、芯線であるガラス線材が石英ガラスで構成されるため、ピアノ線に比べ大きな抗張力を有する。したがって、ワイヤ径を細くすることができる。また、石英ガラスの外層には圧縮応力が残留することによりガラスの強度が向上され、耐久性の高いワイヤソーが得られる。

また、砥粒が食い込むことによる芯線と砥粒の接触によって、芯線の折れが生じる恐れがある。しかし、本発明では、芯線の外周に保護樹脂層を形成することで、ガラス表層への傷が防止され、芯線の曲げ時の折損を防止することができる。

また、外層にフッ素、塩素、ゲルマニウム、燐、カリウム、ナトリウム、リチウム、ボロンのいずれか一つ以上を添加することで、中心域に対して外層の軟化温度を下げることができる。

また、外層の塩素または水酸基の含有量を、中心域の塩素または水酸基の含有量よりも多くすることにより、外層の軟化温度を下げることができる。

また、中心域が溶融石英からなり、外層は塩素及び水酸基を含有する合成石英からなることにより外層の軟化温度を下げることができる。塩素及び水酸基を含有する合成石英は、例えばＳｉＣｌ_４ガスを酸水素火炎分解してスートを堆積させて多孔質体を形成しこれを加熱し透明ガラス化させることにより得られる。原料のＳｉＣｌ_４及び火炎の酸水素が、合成石英に含有される塩素及び水酸基源となる。また、中心域を均一組成とすることにより、中心域内での残留応力バランスに影響を受けることなく、外層への圧縮の残量応力を効率良く確実に付与することが可能となる。

また、耐外傷性の向上効果を確実に得るためには、圧縮の残留応力が付与された外層の厚さは、１μｍ以上であることが望ましい。一方、ガラス全体に占める外層部分が増すと、効率よく外層に圧縮応力が付与されなくなるとともに、中心域に大きな引張の残留応力をもたらす。このため外層の厚さは、ガラス外径の１／３以下とすることが望ましい。

また、外層の圧縮の残留応力を５ＭＰａ以上とすることによりガラスの強度が向上され、耐久性の高いワイヤソーを得ることができる。さらに５０ＭＰａ以上とすることによりガラスの強度がさらに向上され、ワイヤソーの耐久性を向上させることができる。

第２の発明は、中心域となる第１石英材の外周に、前記第１石英材よりも軟化温度が低い外層となる第２石英材を設けて線引母材を準備する工程ａと、前記線引母材を加熱して所定の張力にて一端より引き落としつつ、引き落とされたガラス線材の外周に保護樹脂層を設けて前記ガラス線材の外周に保護樹脂層を設けた線材を得る工程ｂと、前記線材の外周に砥粒保持層と、砥粒とを設ける工程ｃと、を具備することを特徴とするワイヤソーの製造方法である。

前記工程ａにおいて、前記第２石英材には、軟化温度を低くする添加物を浸透拡散させておき、前記工程ｂにおいて外層を形成してもよい。

前記第２石英材は、前記第１石英材の外径より大きな内径を有する管状の石英材であり、前記工程ａでは、前記第１石英材を、前記第２石英材に挿通させ、前記工程ｂでは、前記第１石英材と前記第２石英材を加熱して一体化させつつ所定の張力にて一端より引き落としてもよい。

前記工程ａにおいて、次の（１）〜（３）いずれか１つ以上の手段によって、前記第２石英材に、カリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を浸透拡散させてもよい。
（１）第２石英材をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を含む液体に浸漬すること
（２）第２石英材をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上が拡散したガス雰囲気中に保持すること
（３）第２石英材の外周をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を含む気体と燃焼性ガスとによる火炎に暴露すること

第２の発明によれば、外層の軟化温度を中心域に対して低くすることができる。このため、線引き時に、外層に確実に圧縮の残留応力を付与することができる。

また、外層の軟化温度を小さくする添加剤を添加することで、確実に外層の軟化温度を中心域の軟化温度より小さくすることができる。

また、中心域となる第１石英材の外径より大きな内径を有する管状の外層となる第２石英材を用い、第１石英材を第２石英材に内通させた状態で線引炉に投入し加熱して一体化させつつ所定の張力にて一端より引き落とすことにより、安定して外層に圧縮の残留応力を付与された線材が得られる。

前述の（１）〜（３）の方法によって、確実に外層に軟化温度を下げるための添加元素を拡散浸透させることができる。

本発明によれば、ワイヤ径を必要以上に大きくすることなく、高い耐久性を有するワイヤソー等を提供することができる。

切断装置１を示す図。 ワイヤソー７の断面図。 ワイヤソー７ａの断面図。 芯線製造装置２０を示す概略図。 （ａ）〜（ｄ）は、外層と中心域の固化状態の変化を示す図。 ガラス線材１１の応力分布を示す図。 ワイヤソー製造装置４０を示す概略図。 （ａ）〜（ｄ）は、従来の線材の線引き時の固化状態の変化を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、切断装置１を示す概略図である。切断装置１は、切断対象物であるインゴット３を保持する保持部５と、ワイヤソー７を移動させるための多溝を有するローラ９と、保持部５およびローラ９を駆動するための図示を省略したモータ等から構成される。なお、切断対象物はシリコンもしくはサファイア、ＳｉＣ、化合物半導体やガラス、セラミックスなどの硬脆材料である。

切断装置１では、ローラ９の外周に、所定の張力が付与された状態でワイヤソー７が多数回巻回される。ワイヤソー７は一方の側から送られ（図中矢印Ａ方向）、他方の側から巻き取られる（図中矢印Ｂ方向）。駆動モータによってローラ９を可逆回転することにより、ワイヤソー７をローラ９間で往復動させることができる。

半導体用シリコン等のインゴット３を保持部５で保持させた状態で、ワイヤソー７の移動方向に対して垂直に移動させる（図中矢印Ｃ方向）。保持部５に所定の荷重を付与し、インゴット３をワイヤソー７に接触させることで、ワイヤソー７によりインゴット３が切断される。すなわち、インゴット３を一度に多数枚の加工物にスライス切断することができる。なお、本発明の切断方法は、図示した例に限られず、本発明によるワイヤソーを用いて行う切断加工にはすべて適用可能である。

次に、ワイヤソー７について説明する。図２は、ワイヤソー７の断面図である。ワイヤソー７は、主に芯材であるガラス線材１１、砥粒保持層１７、砥粒１９等から構成される。

ガラス線材１１は、外径が５０〜２００μｍの石英ファイバである。ガラス線材１１の径を細くし過ぎると、使用時におけるワイヤソーの破断の恐れがある。また、ガラス線材１１の径を太くし過ぎると切断対象物の切断代が大きくなるため、歩留まりが低下し、多量の切粉が生じるためである。また、ガラス線材の径を太くしすぎるとガラス線材が曲がりにくくなるとともに、ガラス線材の破断曲げ径が大きくなる。

なお、ガラス線材１１に用いられるガラスとしては、安定性を考慮すると、ケイ酸塩ガラス、石英ガラス、無アルカリガラス等も適用可能であるが、本発明では、特に強度が優れることから石英ガラスを用いることが望ましい。例えば、気相合成した高純度石英ファイバを用いれば、不純物を含まず、高い抗張力を有する。

ガラス線材１１は、中心部の中心域１３と、中心域１３の外周に形成される外層１５の２層構造で構成される。中心域１３と外層１５は、ともにガラスであるが、互いの軟化温度が異なる。外層１５の軟化温度は、中心域１３の軟化温度よりも低い。また、外層１５には、ガラス線材１１の長手方向に対して、圧縮の残留応力が付与されている。なお、外層１５の軟化温度を低くするための方法および圧縮残留応力を付与する方法については、詳細を後述する。

砥粒保持層１７は、樹脂で砥粒１９を固定するレジンボンド層であってもよく、またはめっき層であってもよい。砥粒保持層１７が、レジンボンド層である場合には、例えば、熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂などを用いることができる。なお、樹脂の硬度等から熱硬化樹脂を用いることが好ましい。

砥粒保持層１７がめっき層である場合には、電気めっきを施すことで、めっき層を形成することが好ましい。なお、めっき層は、砥粒１９を保持できればいずれの金属でも良いが、例えばニッケル、銅などで構成される。

砥粒１９の種類・平均粒径は被切削物の種類や硬度によって適宜変更されるが、砥粒１９の種類はダイヤモンドが好ましい。密着性・生産性の観点からニッケル、チタン、パラジウムなどの金属被覆ダイヤモンドを用いても良い。

次に、外層１５の軟化温度を下げる方法について説明する。外層１５の軟化温度を中心域１３の軟化温度よりも低くするためには、例えば、外層１５を構成するガラスに、フッ素、塩素、ゲルマニウム、燐、カリウム、ナトリウム、リチウム、ボロンのいずれか１つ以上を添加する方法がある。これらの元素を添加することで、外層１５の軟化温度を低くすることができる。

なお、外層１５にフッ素等を添加した場合、フッ素は石英ガラスの屈折率を下げる作用もあるため、屈折率を測定することで、元素の添加量を知ることもできる。

例えば、中心域１３と外層１５を同一の石英ガラスで構成し、外層１５にフッ素を添加した場合、中心域１３に対する外層１５の屈折率差Δを−０．１％以下となるようにフッ素を添加することにより、所定量のフッ素を含有させることができる。なお、屈折率差Δは、次のように定義される。
Δ＝｛（ｎｆ−ｎ０）／ｎｆ｝×１００ （１）
ここで、ｎｆは添加物を添加した石英ガラスの屈折率、ｎ０は石英ガラスの屈折率である。

また、ナトリウムは石英ガラスの屈折率を上げる作用がある。したがって、例えば外層１５にナトリウムを添加した場合には、中心域１３に対する外層１５の屈折率差Δを０．１％以上とすることにより、所定量のナトリウムを含有させることができる。

また、中心域１３よりも、外層１５のガラスに塩素若しくは水酸基を多量に含有させてもよい。このようにしても、外層１５の軟化温度を中心域１３の軟化温度よりも低くすることができる。

ガラス線材１１の母材は、例えば、四塩化珪素を酸水素火炎分解してスートを堆積させ多孔質体を形成しこれを加熱し透明ガラス化して得ることができる。この場合、得られる石英ガラスには、塩素と水酸基が取り込まれる。したがって、まず、天然水晶の精製溶融から得られる塩素の含羞量の少ない溶融石英で中心域を構成する。次いで、この外周に四塩化珪素を酸水素火炎分解してスートを堆積させ多孔質体を形成しこれを加熱し透明ガラス化する。このようにすることで、中心域よりも塩素および水酸基を多く含む外層を有する石英ガラス母材を得ることができる。

また、別の方法として、まず、四塩化珪素を酸水素火炎分解してスートを堆積させ多孔質体を形成しこれを加熱し透明ガラス化して中心域となる石英ガラスを得る。この後、その外周に四塩化珪素を酸水素火炎分解してスートを堆積させ多孔質体を形成しこれを塩素と不活性ガスを含む雰囲気で加熱し透明ガラス化する。このようにすることにより、中心域よりも塩素を多く含む外層を有する石英ガラス母材を得ることができる。

また、中心域１３を溶融石英で構成し、外層１５は塩素及び水酸基を含有する合成石英から構成することもできる。溶融石英の軟化温度に比較して、塩素及び水酸基を含有する合成石英の軟化温度は低い。したがって、中心域１３を溶融石英とし、外層１５は塩素及び水酸基を含有する合成石英とすることにより、外層１５の軟化温度を下げることができる。

また、ガラス線材１１の母材を製造する方法としては、中心域を構成する円柱状の素材と、外層を構成する円筒状の素材を用いる方法もある。円筒状素材には、軟化温度を低くする添加物が添加される。円筒状素材の内径は、円柱状素材の外径より大きい。これらの素材を準備し、円柱状素材を、円筒状素材に挿通させることで、ガラス線材母材が製造される。

この場合、円筒状素材には、軟化温度を低くする添加物を浸透拡散させればよい。また、円筒状素材に、カリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を浸透拡散させる方法として、以下の（１）〜（３）のいずれかの方法を用いることもできる。
（１）第２石英材をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を含む液体に浸漬する。
（２）第２石英材をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上が拡散したガス雰囲気中に保持する。
（３）第２石英材の外周をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を含む気体と燃焼性ガスとによる火炎に暴露する。

次に、他の実施の形態について説明する。図３は、他の実施の形態にかかるワイヤソー７ａを示す断面図である。なお、以下の説明において、ワイヤソー７と同一の構成については、図２と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。ワイヤソー７ａは、ワイヤソー７と略同一の構成であるが、樹脂層１８が設けられる点で異なる。

樹脂層１８は、ガラス線材１１と砥粒保持層１７の間に形成される。樹脂層１８は、例えば紫外線硬化樹脂などにより構成される。前述のように、石英ファイバは、極めて高い抗張力を有するが、曲げ変形に対して、折損の恐れがある。このため、ガラス線材１１の周囲を樹脂層１８で被覆することで、ワイヤソー７ａを曲げた際の応力が、ワイヤソー７ａの一か所に集中することを防ぎ、ガラス線材１１の折損を防止することができる。このため、ワイヤソー７ａをボビン等に巻き付け、また、前述した切断装置１において、ローラ９間に巻き付けても、ワイヤソー７ａの折損を防止することができる。

また、樹脂層１８は、砥粒１９とガラス線材１１との接触を防止する。すなわち、砥粒１９との接触によりガラス線材１１が傷つくことを防止でき、これによるガラス線材１１の破断を防止することができる。

次に、ワイヤソー７ａの製造方法について説明する。図４は、ワイヤソー７ａを製造するための芯線製造装置２０を示す概略図である。なお、本発明では、前述した抗張力を有するガラス線材１１を製造可能であれば、その製造方法を限定するものではない。また、樹脂層１８を有さないワイヤソー７も同様に製造することができる。

まず、線引母材であるファイバ母材２１を製造する。ファイバ母材２１には、前述したように、中心域および外層を構成する２層構造とする。例えば、まず、添加物が積極的に添加されていない石英ガラスからなる中心域材をＶＡＤ法を用いて製造する。この中心域材の外周に、ＳｉＣｌ_４ガスを酸水素火炎分解してスートを堆積させて多孔質体を形成する。次いでこれを、ＳｉＦ_４とＨｅを含む雰囲気下で加熱し透明ガラス化させることにより、フッ素を添加した石英ガラスからなる外層材を設ける。

このようにして、中心域材の外周に、中心域材に対する比屈折率差Δが、例えば−０．５５％となるように、フッ素が添加された石英ガラスからなる外層材を設けたファイバ母材２１を得ることができる。

得られたファイバ母材２１は芯線製造装置２０で線引きされる。芯線製造装置２０は、ヒータ２３、外径測定器２４ａ、２４ｂ、樹脂層被覆ダイス２５、２９、紫外線照射装置２７、３１、巻き取り装置３７等からなる。

まず、ファイバ母材２１をヒータ２３で加熱溶融して延伸し（図中矢印Ｄ方向）、所定の径を有するガラス線材１１を得る。なお、ガラス線材１１の外径は、外径測定器２４ａ、２４ｂにより測定される。次に、一定温度に加温された液状樹脂が供給された樹脂層被覆ダイス２５にガラス線材１１を通過させ、外周に液状樹脂を塗布する。ここで、樹脂層被覆ダイス２５のクリアランスは、例えば、紫外線照射後の硬化収縮を考慮して、被覆厚さより大きめの被覆厚さの２倍程度に設定される。

液状樹脂の塗布は、次いで、紫外線照射装置２７によって塗布した液状樹脂を硬化させ、樹脂層１８を形成させる。その後、必要に応じて、フィラーが添加された紫外線硬化樹脂を用いて、導電層被覆ダイス２９および紫外線照射装置３１により、導電層を形成させる。なお、導電層が不要の場合は、導電層被覆ダイス２９および紫外線照射装置３１を省略すればよい。

得られた被覆ファイバ３５は巻き取り装置３７で巻き取られる（図中矢印Ｅ方向）。

図５は、ガラス線材１１を線引きする際のガラスの固化状態の変化を示す図である。ガラス線材１１は、軟化温度以上で線引きされる。したがって、図５（ａ）に示すように、ガラス線材１１の中心域１３、外層１５は、ともに軟化状態にある。この状態から、所定の張力が付与されて線引きされる。

図５（ｂ）は、ガラス線材１１が冷却されて、中心域１３が固化した状態（斜線部）を示す図である。ガラス線材１１は外周から冷却が進むが、外層１５の軟化温度（固化開始温度）が中心域１３に対して低いため、中心域１３が先に固化し、外層１５は軟化状態が維持される。また、ガラス線材１１には張力Ｓが付与される。したがって、この張力Ｓは、中心域１３が受け持つこととなる。

さらに冷却が進むと、図５（ｃ）に示すように、外層１５も固化（斜線部）する。すなわち、ガラス線材１１全体が固化する。最後に、ガラス線材１１の張力が解放される。この際、図５（ｄ）に示すように、中心域１３が受け持っていた引張応力によって、外層１５は圧縮応力が残留する。すなわち、中心域１３の引張残留応力σ２と外層１５の圧縮残留応力σ１がバランスするような状態となる。

図６は、ガラス線材１１の応力分布を示す図である。図６の上部は、下部（ガラス線材１１の断面図）における、Ｎ線上の応力分布を示し、応力分布図の上方（図中Ｌ）は、引張応力、下方（図中Ｍ）は圧縮応力を示す。すなわち、本発明におけるガラス線材１１は、中心域１３には引張応力が残留しており、外層１５には、圧縮応力が残留する。

なお、ファイバ母材の加熱温度を変えて、ガラス線材１１を製造した場合には、加熱温度によって、得られたガラス線材１１の残留応力の分布が変化した。加熱温度が低いほど、より大きな残留応力を得ることができた。

なお、外層１５の残留圧縮応力を５ＭＰａ以上とすることによりガラスの強度が向上され、耐久性の高いワイヤソー７、７ａを得ることができる。さらに残留圧縮応力を５０ＭＰａ以上とすることによりガラスの強度がさらに向上し、ワイヤソー７、７ａの耐久性を向上させることができる。なお、ガラス線材１１の残留応力は、例えば、応力により屈折率が変わる光弾性効果を利用することにより測定可能である。

耐外傷性を増してワイヤソー７、７ａの耐久性を増すために、圧縮の残留応力が付与される外層１５の厚さは、１μｍ以上であることが望ましい。一方、ガラス全体に占める外層１５部分が増すと、効率よく外層１５に圧縮応力が付与されなくなるとともに、中心域１３に大きな引張の残留応力をもたらす。このため外層１５の厚さは、ガラス線材１１の外径の１／３以下、さらに望ましくはガラス線材１１の外径の１／４以下、さらに望ましくはガラス線材１１の外径の１／６以下である。

また、中心域１３は、その領域内が均一の組成であることが望ましい。中心域１３内で組成の大きな変化があると、その影響により石英ガラスの軟化温度や熱膨張係数が変化する。このため、外層１５と中心域１３との残留応力バランスが悪化し、外層１５に効率よく圧縮の残留応力を付与することができなくなる恐れがある。例えば、外層１５への圧縮の残留応力の低減や、ときには引張の残留応力をもたらす恐れがある。したがって、中心域１３は、その領域内が均一の組成であることが望ましい。

ここで、外層１５に、軟化温度を低くする添加剤を添加して外層１５の軟化温度を中心域１３の軟化温度より低くした場合、その軟化温度差が大きいほど外層１５に残留圧縮応力を付与することができる。しかしながら、外層１５に添加剤を添加すると、引き落とす前の太い径のファイバ母材２１において、外層１５と中心域１３との境界近傍を起点として割れが発生してしまうことがある。

例えば、前述したように、中心域となる石英材の外周に、ＳｉＣｌ_４ガスとＧｅＣｌ_４を酸水素火炎分解してスートを堆積させてゲルマニウムを含有する石英からなる多孔質体を形成する。これを、Ｈｅを含む雰囲気下で加熱し透明ガラス化させることにより、中心域と外層を有するファイバ母材が得られる。しかし、このファイバ母材は、ガラス化後の冷却時に割れが発生してしまうことがある。これはゲルマニウムの添加が石英の軟化温度を下げるともに、熱膨張係数を大きくさせることに起因する。すなわち、外層と中心域の熱膨張係数差により、ガラス化後の冷却時の残留応力が中心域と外層の界面付近に集中してしまう。特に、太径のファイバ母材２１のときには、外層と中心域界面付近を起点として割れが生じやすい。

したがって、このような割れが生じない程度の量の添加剤を外層に添加することが望ましい。なお、ゲルマニウムを添加した場合の例を示したが、ナトリウム、カリウム、ボロン等の添加も石英ガラスの軟化温度を下げるとともに熱膨張係数を大きくする作用があり太い径の石英材の時には同様な問題を生じやすい。

次に、砥粒の電着工程を説明する。図７は、ワイヤソー製造装置４０を示す概略図である。まず、被覆ファイバ３５を脱脂槽４１に送る（図中矢印Ｆ方向）。脱脂槽４１は、例えば水酸化ナトリウム水溶液が蓄えられた槽であり、被覆ファイバ３５の外表面に付着している油分等の汚れが除去される。水洗槽４３では、表面に付着している脱脂槽４１の薬液等が洗浄される。

めっき槽４５は、被覆ファイバ３５に電解めっきを行い、ダイヤモンド砥粒を電着するための槽である。めっき槽４５は、たとえばニッケルを溶解した溶液に砥粒を分散させたニッケル浴である。めっき槽４５を通過する被覆ファイバ３５には、陰極４９が接続される。また、めっき槽４５にはニッケル陽極５１が浸漬される。陰極４９と陽極５１は、図示を省略した電源に接続される。以上により、所望の厚さのめっき層が形成される。

なお、砥粒には、予めカチオン系界面活性剤溶液中で処理したものが用いられる。このようにすることで、砥粒にプラスの電荷を帯びさせることができる。したがって、陰極４９に接続された被覆ファイバ３５にクーロン力により砥粒を吸着させることができる。

めっき層で砥粒が保持された状態で、水洗槽４７で余分な薬剤等を洗浄し、巻き取り装置５３で巻き取られて（図中矢印Ｇ方向）、ワイヤソー７、７ａが製造される。

本発明によれば、ガラス線材１１が石英ファイバからなるため、例えば従来のピアノ線よりも高い抗張力を有する。このため、ワイヤソー７、７ａの破断を抑制するとともに、ワイヤソー７、７ａの外径を細くすることができる。

また、ガラス線材１１が、中心域１３と外層１５の２層構造であり、外層１５に圧縮残留応力が付与される。したがって、ガラス線材１１を曲げた際にも、外表面に生じる引張応力を低減することができる。このため、ガラス線材１１の破断等を抑制することができる。

また、外層１５は、中心域１３に対して軟化温度が低い。このため、ガラス線材の線引き（引き落とし）工程において、容易に外層１５に圧縮残留応力を付与することができる。

このようにして構成されるワイヤソー７、７ａを用いることで、ワイヤソー７、７ａの耐久性に優れ、切断代が少なく歩留まりの高い切断対象物の切断方法を得ることができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………切断装置
３………インゴット
５………保持部
７、７ａ………ワイヤソー
９………ローラ
１１………ガラス線材
１３………中心域
１５………外層
１７………砥粒保持層
１８………樹脂層
１９………砥粒
２０………芯線製造装置
２１………ファイバ母材
２３………ヒータ
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ………外径測定器
２５………樹脂層被覆ダイス
２７………紫外線照射装置
２９………樹脂層被覆ダイス
３１………紫外線照射装置
３５………被覆ファイバ
３７………巻き取り装置
４０………ワイヤソー製造装置
４１………脱脂槽
４３………水洗槽
４５………めっき槽
４７………水洗槽
４９………陰極
５１………陽極
５３………巻き取り装置
１００………ガラス線材
１０１………外部
１０３………内部

Claims (11)

1. ガラス線材と、
   前記ガラス線材の外周に設けられる砥粒保持層と、
   前記砥粒保持層で保持される砥粒と、
   を具備し、
   前記ガラス線材は、石英ガラスからなり、
   前記ガラス線材は、中心域と、前記中心域の外周に設けられ、前記中心域の軟化温度よりも軟化温度が低い外層とから構成され、
   前記外層は、軸方向に対して圧縮の残留応力を有することを特徴とするワイヤソー。
2. 前記ガラス線材と前記砥粒保持層との間には、保護樹脂層が設けられ、前記保護樹脂層の外周に前記砥粒保持層が形成されることを特徴とする請求項１記載のワイヤソー。
3. 前記外層は、フッ素、塩素、ゲルマニウム、燐、カリウム、ナトリウム、リチウム、ボロンのいずれか１つ以上が添加された石製ガラスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のワイヤソー。
4. 前記外層は、塩素または水酸基を含有し、
   前記外層の塩素または水酸基の含有量が、前記中心域の塩素または水酸基の含有量よりも多いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のワイヤソー。
5. 前記中心域は、溶融石英ガラスからなり、
   前記外層は、合成石英ガラスからなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のワイヤソー。
6. 前記外層の厚みは、１μｍ以上であり、かつ、前記ガラス線材の外径の１／３以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のワイヤソー。
7. 前記外層の圧縮残留応力は、５ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のワイヤソー。
8. 中心域となる第１石英材の外周に、前記第１石英材よりも軟化温度が低い外層となる第２石英材を設けて線引母材を準備する工程ａと、
   前記線引母材を加熱して所定の張力にて一端より引き落としつつ、引き落とされたガラス線材の外周に保護樹脂層を設けて前記ガラス線材の外周に保護樹脂層を設けた線材を得る工程ｂと、
   前記線材の外周に砥粒保持層と、砥粒とを設ける工程ｃと、
   を具備することを特徴とするワイヤソーの製造方法。
9. 前記工程ａにおいて、前記第２石英材には、軟化温度を低くする添加物を浸透拡散させておき、前記工程ｂにおいて外層を形成することを特徴とする請求項８記載のワイヤソーの製造方法。
10. 前記第２石英材は、前記第１石英材の外径より大きな内径を有する管状の石英材であり、
    前記工程ａでは、前記第１石英材を、前記第２石英材に挿通させ、
    前記工程ｂでは、前記第１石英材と前記第２石英材を加熱して一体化させつつ所定の張力にて一端より引き落とすことを特徴とする請求項８または請求項９に記載のワイヤソーの製造方法。
11. 前記工程ａにおいて、次の（１）〜（３）いずれか１つ以上の手段によって、前記第２石英材に、カリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を浸透拡散させることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれかに記載のワイヤソーの製造方法。
    （１）前記第２石英材をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を含む液体に浸漬する
    （２）前記第２石英材をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上が拡散したガス雰囲気中に保持する
    （３）前記第２石英材の外周をカリウム、ナトリウム、リチウムのいずれか１つ以上を含む気体と燃焼性ガスとによる火炎に暴露する
    

Images