JP3943584B1

JP3943584B1 - ソーワイヤー及びワイヤーソー

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Publication number: JP3943584B1
Application number: JP2006298390A
Authority: JP
Inventors: 山田榮子
Original assignee: 山田榮子
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: JP2008114318A

Abstract

【課題】シリコンインゴット等の硬脆物のスライス切断に使用されるワイヤーソーの性能を向上させ切断工程の生産性向上を図る。
【解決手段】ソーワイヤーの断面形状を従来の円から長方形に変更し厚さは従来の線径以下とし幅を数倍に拡大しつつ長辺面上下に波加工又は線厚を周期変動させる。断面積の拡大により切断押圧力が増加し、波打ち加工又は線厚変動により研削液を引き込み扁平線でも従来同様の切断能を持つ。該ワイヤーの製造方法として素線から圧延連伸機により１工程で製品とする。従来の熱処理、伸線工程がそれぞれ１回省略され製品コストが大幅に下がる。薄厚ワイヤーが容易に製造され切断歩留まりに寄与する。ワイヤーソーにはワイヤー側面を切断面と平行に拘束するガイドを付設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、砥粒を含有する研削液を介して半導体シリコン・インゴット、セラミック・インゴット等の硬脆物を切断するワイヤーソーに使用されるソーワイヤーに関している。

砥粒遊離型のワイヤーソーでは被切断物の所定切断面に沿って細径の鋼線を走行させつつ接触部にダイヤモンド研磨粉を混合する研削液を送給して研削切断する。鋼線の張力が弱いと切断面が反って精密スライスができない。そのため高抗張力の高炭素鋼線が必要とされる。半導体シリコン・インゴットからスライスを切り取る場合、歩留まり向上のためより薄く且つより少ない切断幅とするよう直径がより小さい鋼線が求められる。最近では量産品としては直径は１５０μｍまで下がってきている。

線径が小さくなると負荷張力が低下する。張力が低下すると切断押圧力が低下し上記の反り発生の他に切断能率が低下する。その対策に鋼線の一層の高強度化が要求される。ソーワイヤーでは延靭性は特に求められていないので伸線加工の限界まで加工硬化を進めて超抗張力鋼線としている。

細径化によって切断工程には別の問題が生ずる。ワイヤーソーは通常１本のワイヤーを数本の平行ローラー間で反復反転させて多条に並列させ、前進又は前後進させつつ該並列線に被切断物を押圧する。ワイヤーは順次下流へ移行する。下流になるほど鋼線は摩耗するので使用中の線径の許容限に対応して線速ないし条数が制限される。従って細径化は鋼線の耐久と適用範囲にも問題が生ずる。

細径化に伴う鋼線コスト問題を取り上げる。高炭素鋼線の製造コストは細径になると、段階的だが伸線と伸線を支える事前の熱処理工程の回数が増加する上、断面積減少による生産能率低下も加わる。従ってコストは段階的加速的に上がる。

高抗張力化も同様に生産能率と歩留まりの双方の低下をもたらし、且つダイス等諸費用の増加も加わり加速的に増加する。一層の細径化は製造は可能になっても採算面では極めて困難になっている。細径化は総合的に見ると費用対効果比は益々逓減している。

特許文献１には上記問題の１解決方法が開示されている。その要旨は鋼線断面形状を円ではなく長方形状として長辺を大きくすることにより張力及び摩耗代を数倍に強化でき、しかも製造コストが有利になる。問題は単なる扁平化では実際の切断があまりうまく行かず能率が低下し切断面が片寄り易い傾向を持つ。

特許文献２には円断面ではない鋼線を捻ることにより研磨液の引き込みを強化することにより切断性能のよいソーワイヤとすることが開示されている。問題は該鋼線の捻りピッチを図示のように線径の数倍とすると通常の伸線速度１０ｍ／ｓ以上に対応して超高速の捻り加工（２０００００ｒｐｓ）が必要になり製造が極めて困難である。

特開２００３−２３１０６３特開昭５４−１６７９４

以上述べたようにワイヤーソーによるシリコン・インゴット等の硬脆物の切断において歩留まり向上のためソーワイヤーはより細径が求められているが、細径になるほどワイヤーの製造コストが加速的に増加すること、ワイヤーの耐久性が低下すること、切断能率が低下するという問題がある。本発明は従来の細径鋼線より実質的に細径であり、低コストであり、高耐久であり、高負荷に耐えるソーワイヤーと該ワイヤーを活用するワイヤーソーを提供する。切断工程のコスト低減、歩留まり向上、能率向上を終局目的とする。

上記問題解決のため以下の方法が採られる。
第１発明は、ワイヤーソーに使用される細径で高抗張力の高炭素鋼線であるソーワイヤ−において、１）断面形状が角部に丸みを持った長方形でアスペクト比が２以上であり、２）短辺厚が２００μｍ以下であり、３）長辺面が連続的に上下に波高さが短辺厚の２倍以下の範囲で波加工されていることを特徴とするソーワイヤーである。

第２発明は、ワイヤーソーに使用される細径で高抗張力の高炭素鋼線であるソーワイヤ−において、１）断面形状が角部に丸みを持った長方形でアスペクト比が２以上であり、２）短辺厚が２００μｍ以下であり、３）短辺厚を短辺厚の最大最小比が２以下の範囲で線軸方向に周期的に変動させたことを特徴とするソーワイヤーである。

第３発明は、０．８０〜１．０％Ｃの高炭素鋼線材を伸線して中間線とし、該中間線をパテンティングして素線とし、該素線を冷間圧延により所定の強度と所定の断面寸法と所定の波形状に加工してソーワイヤーとすることを特徴とする第１発明に記載のソーワイヤーの製造方法である。

第４発明は、０．８０〜１．０％Ｃの高炭素鋼線材を伸線して中間線とし、該中間線をパテンティングして素線とし、該素線を冷間圧延により所定の強度と所定の断面寸法に加工してソーワイヤーとすることを特徴とする第２発明に記載のソーワイヤーの製造方法である。

第５発明は、所定寸法と所定の形状に加工された後長辺面を線軸方向と平行に所望製品幅にスリット切断することを特徴とする第３発明又は第４発明に記載のソーワイヤーの製造方法である。

第６発明は、ソーワイヤーを多数平行に走行させて硬脆物に押圧し切断面上に研削砥粒含有液を送給しつつ切断するワイヤーソーにおいて、第１発明又は第２発明に記載のソーワイヤー又は第３発明又は第４発明又は第５発明に記載の方法によって製造されたソーワイヤーを使用し、該ワイヤーの長辺面を予定切断面に対して平行に拘束し摺動するガイドをソーワイヤーの走行軌跡上で切断部位の前後近傍にそれぞれを設けたことを特徴とするワイヤーソーである。

上記の発明による第１の効果として、ワイヤーの製造工程が主として伸線から圧延へ変更され且工程数削減という簡素化によりコストが大幅に削減される。
第２に、ワイヤー断面積の数倍化はソーにおけるワイヤー張力を比例的に大きくすることができるので鋼線の製造に当たって超抗張力にまで加工硬化させる必要が無い。これも製造コストを大きく抑制する。
第３に、加工限界まで加工する必要が無いことは一層の加工をも可能とし、１００μｍ厚以下の製品の製造が容易になる。これは切断歩留まりの向上をもたらす。
第４に、本発明のワイヤーを使用したソーではワイヤーの波打ち又は厚さの変動により研削液が切断面に効果的に浸透してワイヤーソー本来の切断性能が回復する。
第５に、ワイヤー断面積の数倍化によって張力と押圧力が増加し高負荷切断を可能として切断能率を向上させ、合わせてワイヤーの耐久の数倍化により切断工程全体の生産性向上に寄与する。

以下実施の形態についての例を図面を参照しつつ説明する。
図１には本発明の製品の断面形状の例を示す。Ａは横断面、Ｂは縦断面である。図２は本発明製品と比較例の製造工程を示す。比較例として現在量産品として最少径とされる１４０μｍ径の超抗張力鋼線を挙げる。発明例の断面寸法は同一切断幅として比較するため１２０μｍ×５６０μｍの丸みを持つ長方形で波形である。

丸みの形状は特に限定しない。角張らせる必要性が無いこと、角張ると高抗張力鋼線では折れやすくなること、丸みを許容する方が製造し易いこと、従来の円断面と同様の条件で使用できること等が丸みをつける理由である。使用中には摩耗により丸みは変形する。最適形状が存在すると推測されるが未解明である。

比較例の抗張力は３５００ＭＰａ、降伏応力は３４００ＭＰａに対して本発明ではそれぞれ約８０％になるよう製造設計される。具体的には冷間加工度が決定され、素線径が規定される。強度はかなり低位に移行するが上記断面寸法・形状の効果により切断性能は以下に述べるように劣らない。

第１に、図２に示されるように本発明品の断面積は比較例の約４倍である。切断時にワイヤーに負荷し得る最大張力は降伏強度×断面積であるから後者の張力は圧倒的に大きい。これは切断押圧力を大きくすることを可能とし、切断能率を向上させる。

第２に、切断性能やワイヤー耐久性に対して鋼線強度自体は直接的にはそれほど影響しないことはよく経験されている。その理由として、ダイヤモンド砥粒は確かに鋼線表面を摩耗させる。摩耗に対しては硬度、この場合には強度が大きいほど有利である。他方砥粒が鋼線表面に食い込んで被切断物に研削作用を及ぼし自己の摩耗は抑制する。食い込みには鋼線表面の延靭性が作用する。従って耐摩性と食い込み性とがそれなりに相殺していると推測される。本発明で鋼線の強度を比較的低く設定している理由は後述の製造が容易と言うことと上記のように研削そのものには材料強度が絶対条件ではないことにある。

第３に円断面の鋼線が着実な切断性能を持つ根拠は反転走行中にネジレが発生し捻り走行が研削液を引き込んで研削作用を維持している。扁平鋼線では研削液の引き込みが弱いのか片寄り、片減りが起こりやすい。
本発明の波打ち又は厚さ変動の扁平鋼線では研削液を切断面両側に引き込み易い。

図１には本発明の製品の製造工程をも従来品と比較して示す。
比較例では５．５ｍｍ径の熱延線材を１．６ｍｍ径まで１次伸線したのちパテンティングという熱処理を施し、強度と加工性を向上させた１次素線を造る。該素線を２次伸線した後再度パテンティングして２次素線を造る。該素線を３次伸線して線径１４０μｍの製品に仕上げる。３次伸線において伸線加工限界に近い加工度が設定され限界的高強度を確保している。

上記方法では３回の伸線が必要となる。線径が１６０μｍ以上では諸工夫により２回に削減することは可能である。いずれの場合も仕上げ伸線では加工限界まで伸線するので工程は安定せず、生産能率は上げにくく、高価なダイヤモンド・ダイスの消費が大きく、線径が小さくなるほどコストは加速的に増加する。

本発明では１．４ｍｍ径の１次素線を冷間圧延により主として水平に、従として垂直に圧下して１２０×５６０μｍの平線に仕上げる。長辺を圧下する仕上げロールの作業面に歯車状の横溝を上下食い違いに形成することにより波加工がなされる。波加工の高さ（対称軸の両側寸法と定義し図２中のＨに相当）は線厚（Ｄ）の２倍以下とする。理由は該値が大きいほど研削液を引き込み易いと考えられるが、これ以上にしてもソーの張力により波幅が小さくなるからである。

上記歯車状の圧延ロールの上下の食い違いを解消して同期させると厚さは周期変動する。厚さの最大最小比を２以下とする。理由はこれ以上にすると張力、研削幅に対して不利性が増加するからである。

圧延するにはローラーダイス伸線機が望ましい。ロール材質として超硬が使用される。超硬とロール回転による摩擦減の効果でダイヤモンド製孔ダイスより価格、耐久双方で有利となる。工程は簡素化され比較例に対して大幅にコストが削減される。
ローラーダイス伸線にも問題がある。１ｍｍ径以下の場合、平線の製造は比較的容易であるが丸線に対しては元になるオーバルが小さすぎて孔型に向かって正確に誘導できない。アスペクト比が大きい場合のみガイドを介して孔型へ誘導することができる。

圧延によって０．１ｍｍ程度の厚さに加工することは容易ではないが実施可能である。幅方向の加工に関して今日の設備技術水準では上記の孔型への誘導問題から小さくなるほど極めて困難になる。アスペクト比３、幅約０．５ｍｍが作業限界と推測される。アスペクト比の選定には既述の製品性能だけではなくこの加工の安定性も関与する。

鋼線の幅を所望値に加工する他の方法を提示する。ローラーダイス伸線による圧延に際し水平圧延のみで所定の幅の平線を造り、次ぎに該平線の長辺面を線軸方向と平行に所望幅に縦断する。切断方法としては厚さが０．２ｍｍ以下で極めて薄いのでレーザー・カッターが効果的である。当該機は薄肉の場合高速で処理することができる。切断面のアレはバフ研磨等で修正する。機械的スリッティングも困難ではない。

当該方法の特徴は幅圧下が無い分加工度が不足、即ち強度不足になる。その対策として素線径を大きくする。その分得られる幅も大きくなる。従って生産能率が向上する。もう一つの特徴は同理由により水平圧延のみの制御し易い圧延設備になって能率が向上する。

鋼線を製造する際の伸線加工限界は線径に強く依存し、細径ほど加工限界が大きくなることは理論解明は不充分であるが経験則として定着している。加工限界が大きいほど当然強度が大きくなる。ソーワイヤーでそれが典型的に現れている。比較例の加工度は減面率で９７．２％、延伸比で３６である。本発明例では減面率で９４．３％、延伸比で１８であり、材料にはまだ加工性が残っている。従って該発明品を再度圧延して厚さ１００μｍ以下にすることも可能である。従来の方法では益々生産効率が低下する。

図３は本発明が対象としているマルチ・ワイヤーソーの概略構造図である。通常、平行多条同時切断される。ワイヤーリール１からワイヤー２を引き出し、数本の平行ローラー３，４間で反復反転させて切断予定面に沿って数１０ないし数１００条の平行ワイヤー列６を構成し、該ワイヤー２を前進又は前後進させながら走行させる。該ワイヤー列６に被切断物７を押圧する。下流になるほどワイヤーは摩耗するので使用中の線径の許容限に対応して線速ないし条数、押圧力が制限される。従って細径化はワイヤーの耐久と適用範囲にも問題が生ずる。

ワイヤーの摩耗を観察すると、従来の円断面ワイヤーではほぼ円形に摩耗し、通常線径が約９０％まで使用している。比較的均等に摩耗するのはネジレ走行していること、ワイヤーが反復反転して走行する過程でネジレにより１条毎に被切断物との接触面が変わり摩耗が平準化されているからである。本発明では片短辺を切断接触面とする。摩耗は主として短辺で起こる。ワイヤーを１８０度捻れば反対側短辺が摩耗する。短辺の通常の摩耗は何ら問題とならない。ワイヤーには充分な幅があるので線厚の１〜３倍の摩耗にも耐えられ耐久性は著しく向上する。

短辺で切断するにはワイヤー長辺を正確に予定切断面に対して平行に拘束しなければならない。これは一般鋼材用のエンドレス・ソーと同様である。そのため切断部の両側でワイヤーの傾きを拘束し摺動するワイヤーガイド８を設けることが必要である。平行ローラー４は張力を調整する機能を持つ。ワイヤーを反復反転させる平行ローラー３，４についても、ワイヤーの短辺面をロールに接する場合には、１）実質的に線径が大きくなったことと同様であるからローラー径の見直しが必要、２）ワイヤーを立てて又は斜め立てしてガイドする角溝５又は谷溝が必要となる。切断が進行してワイヤー長辺が被切断物内に侵入すると該物自体がワイヤーを垂直に立てるガイド８の機能を補助する。

鋼線断面のアスペクト比を２以上と特定した理由は、下限値は既述の如く製造上から３以上に限定される。他方、本発明製品では使用中の大きな摩耗にも耐えられ、結果的にアスペクト比２までは再使用できるので下限を２とした。上限値については平行ローラーにおける反転容易性以外には特別の阻害要因又は無効化要因が見つからない。本発明の核心部分は線厚と波打ちにあって線幅についてはワイヤーソーの適切な設計により相当な線幅まで使用し得る。従って特に限定しない。実用目安としては１０〜３０であろう。

線厚を２００μｍ以下と特定した理由は硬脆物の精密薄厚の多条切断において一般的には２００μ以下が使用されているので上限を該値にした。下限は特に制限しないが特殊なソーワイヤーでは４０μｍ径も製造されている。

仕上げ加工工程を圧延と特定した理由は、薄肉化と波加工又は変動厚加工を併行処理できること、薄肉化に対して孔ダイス伸線よりもコスト上有利という点と、ある限度を超えた扁平材の製造は結果的に圧延でしかなし得ないからである。孔ダイスによる異形品の伸線は潤滑、摩耗という点でダイス、鋼線とも条件維持が極めて困難で高コストになる。

ＪＩＳ−ＳＷＲＳ８２Ａの５．０ｍｍ径の０．８５％Ｃのピアノ線用線材を１．２ｍｍ径に伸線した。次ぎにパテンティングし、該熱処理に直結した酸洗、Ｃｕメッキ、Ｚｎメッキを経て拡散焼鈍によりメッキ層をブラスメッキに改質してソーワイヤーの素線とした。パテンティング条件は、９４０℃に加熱し５７０℃の流動床に焼入した。鋼線の強度は１２４０ＭＰａであった。該素線を水平、垂直のローラーダイスを持つ伸線機で１２０μｍ×５６０μｍに圧延加工し線厚の１．２倍の波加工を施した。従来品と比較して表１にまとめる。

表１から本発明品は同一切断幅の従来品の数倍の張力を負荷することができる。又、残り延伸比が２ということは厚さをさらに削減し得ることを意味する。

本発明のソーワイヤーを本発明のワイヤーソーに装填してシリコン・インゴット等の硬脆物の多条・平行・同時切断に供すると、切断能率が向上し、一層の薄肉切断を可能とし、ワイヤーの耐久性も向上して切断工程の生産性向上に寄与する。ワイヤー自体も本発明の製造方法により従来より低コストで製造することができる。

本発明の製品の断面形状を示しＡは横断面、Ｂは縦断面である。本発明の製品の断面形状例と製造工程を従来品と比較して示す。本発明のワイヤーソーの構造の特徴を説明する図である。

符号の説明

１：ワイヤーリール２：ワイヤー３，４：平行ローラー５：ワイヤーガイド角溝６：平行ワイヤー列７：被切断物８：ワイヤーガイド９：巻取リール

Claims

ワイヤーソーに使用される細径で高抗張力の高炭素鋼線であるソーワイヤ−において、１）断面形状が角部に丸みを持った長方形でアスペクト比が２以上であり、２）短辺厚が２００μｍ以下であり、３）長辺面が連続的に上下に波高さが短辺厚の２倍以下の範囲で波加工されていることを特徴とするソーワイヤー。
ワイヤーソーに使用される細径で高抗張力の高炭素鋼線であるソーワイヤ−において、１）断面形状が角部に丸みを持った長方形でアスペクト比が２以上であり、２）短辺厚が２００μｍ以下であり、３）短辺厚を短辺厚の最大最小比が２以下の範囲で周期的に変動させたことを特徴とするソーワイヤー。
０．８０〜１．０％Ｃの高炭素鋼線材を伸線して中間線とし、該中間線をパテンティングして素線とし、該素線を冷間圧延により所定の強度と所定の断面寸法と所定の波形状に加工してソーワイヤーとすることを特徴とする請求項１に記載のソーワイヤーの製造方法。
０．８０〜１．０％Ｃの高炭素鋼線材を伸線して中間線とし、該中間線をパテンティングして素線とし、該素線を冷間圧延により所定の強度と所定の断面寸法に加工してソーワイヤーとすることを特徴とする請求項２に記載のソーワイヤーの製造方法。
所定寸法と所定の形状に加工された後長辺面を線軸方向と平行に所望製品幅にスリット切断することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のソーワイヤーの製造方法。
ソーワイヤーを多数平行に走行させて硬脆物に押圧し切断面上に研削砥粒含有液を送給しつつ切断するワイヤーソーにおいて、請求項１又は請求項２に記載のソーワイヤー又は請求項３又は請求項４又は請求項５に記載の方法によって製造されたソーワイヤーを使用し、該ワイヤーの長辺面を予定切断面に対して平行に拘束し摺動するガイドをソーワイヤーの走行軌跡上で切断部位の前後近傍にそれぞれを設けたことを特徴とするワイヤーソー。