JP5343723B2 - ワイヤーソー - Google Patents

Description

本発明は、シリコン、水晶、石英などの硬脆材料や金属材料を切断する固定砥粒ワイヤーソーに用いるソーワイヤー及びそのソーワイヤーの製造方法に関する。

近年、半導体デバイスの生産コストの低減、適正化をはかるために、シリコンウェーハは大口径化の一途をたどっている。特に８インチ以上に対しては、シリコンインゴットの切断方法はマルチワイヤー切断方式に置き換わられている。このマルチワイヤー切断方式によるシリコンインゴットの切断加工は、ピアノ線などのワイヤーの芯線リールから巻き取りローラーまでの所定経路中に、ダンサローラーおよび複数のメインローラーなどを設けて、インゴットに近接する所定のピッチのワイヤー列を形成するものである。スラリーノズルから高粘度の研磨剤スラリーを供給する（遊離砥粒加工）とともに、インゴットをそのワイヤー列に押し付けることにより、インゴットの切断を行うものである。しかしながら、遊離砥粒加工方法では、多量の産業廃棄物（廃液）を生じ、切断後のウエーハ洗浄が難しく、切断精度が高くない等の欠点がある。

そのため、ワイヤーに砥粒を固着させたワイヤー工具である固定砥粒ワイヤー工具が開示されている（例えば、特許文献１）。このような固定砥粒ワイヤー工具は、先述の遊離砥粒加工方式によるワイヤー切断加工の欠点を解決できる。しかし、切断加工中に切屑が工具表面上に堆積し、砥粒の突き出し高さが不十分になり、目詰まりが生じやすいという欠点があるので、目詰まりを防ぐ、固定砥粒ワイヤーソーのドレッシング方法や、クリーニング方法が提案されている（例えば、特許文献２、３、４）。

特開平１１−４８０３５号公報 特開平１１−２８６５４号公報 特開２００２−１１３６５０号公報 特開２００２−１５４０４４号公報

しかしながら、そもそも、固定砥粒ワイヤー工具は、砥粒の固定が必ずしも均一とは限らず、固定力の小さい砥粒等が脱落し、切削効率の低下が生じ、また、切削条件によっては、脱落した砥粒が固定砥粒の固定部であるめっき部分を磨耗させることもあると考えられる。上述するような目詰まりを防止するクリーニング方法は、切削後の対処法であるため、切削初期から生じ得るこの砥粒の脱落を防止することはできない。

上述のような課題に鑑みて、本発明では、固定砥粒方式のソーワイヤーの砥粒の固定力にバラツキがあっても安定した切削特性を発揮できるソーワイヤーを製造できる製造方法及び製造装置を提供することができる。

より具体的には、以下のようなものを提供することができる。
（１）表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤーの製造方法であって、金属線に砥粒を付着させて結合材により固定して固定砥粒付ワイヤー素材を作る工程と、前記固定砥粒付ワイヤー素材を目立てする工程を含み、該目立てする工程では、ルーズ砥粒を除去することを特徴とする固定砥粒付ワイヤーの製造方法を提供することができる。

（２）前記目立てする工程において、前記固定砥粒付ワイヤー素材を砥石により狭み加圧することを特徴とする上記（１）に記載の固定砥粒付ワイヤーの製造方法を提供することができる。

（３）前記目立てする工程において、前記固定砥粒付ワイヤー素材を少なくとも２つの異なる角度から砥石により狭み加圧することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の固定砥粒付ワイヤーの製造方法を提供することができる。

（４）表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤーの製造装置であって、金属線に砥粒を付着させて結合材により固定して固定砥粒付ワイヤー素材を作る電着部と、前記固定砥粒付ワイヤー素材を目立てする目立て部と、目立て後の固定砥粒付ワイヤーを巻き取るボビンと、前記固定砥粒付ワイヤー素材から目立て後の固定砥粒付ワイヤーまでを連続して製造可能に該ワイヤーを送る搬送装置と、前記電着部、前記目立て部、前記ボビン、前記搬送装置を制御する制御部と、を含むことを特徴とする固定砥粒付ワイヤーの製造装置を提供することができる。

（５）前記目立て部は、前記固定砥粒付ワイヤー素材を挟み加圧可能なローラー砥石対を備えることを特徴とする上記（４）記載の固定砥粒付ワイヤーの製造装置を提供することができる。

（６）前記目立て部は、前記固定砥粒付ワイヤー素材を異なる角度から挟み加圧可能な別のローラー砥石対を更に備えることを特徴とする上記（５）記載の固定砥粒付ワイヤーの製造装置を提供することができる。

（７）上記（４）から（６）のいずれかの装置により製造されるソーワイヤーを提供することができる。

以上のように、本願の発明によれば、固定砥粒付ソーワイヤーの砥粒の固定が必ずしも均一に行われない場合であっても、固定力の小さい砥粒等が脱落することを防止できる。また、脱落した砥粒による固定砥粒の固定材料であるめっき部分を磨耗させることを効果的に防止できる。

本発明の実施例のソーワイヤーの製造装置の模式図である。 ソーワイヤーの製造装置の目立て部による目立ての効果を示すソーワイヤーの模式図である。 砥粒の固定に関し、検討を試みるためのソーワイヤーの一部破断模式斜視図である。 砥粒の固定に関し、検討を試みるためのソーワイヤーの断面模式図である。 図３Ｂのものに比べて、芯線の径が細いソーワイヤーの断面模式図である。 芯線の径を変えたときの固定部材の厚みの相対値を示すグラフである。 本発明の実施例のソーワイヤーを用いたワイヤーソーの模式図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図面において同一の構成又は機能を有する構成要素及び相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。また、以下の説明では、本発明に係る実施の態様の例を示したに過ぎず、当業者の技術常識に基づき、本発明の範囲を超えることなく、適宜変更可能である。従って、本発明の範囲はこれらの具体例に限定されるものではない。また、これらの図面は、説明のために強調されて表されており、実際の寸法とは異なる場合がある。

図５は、本発明の実施例のソーワイヤー１２を用いたワイヤーソー１００を模式的に示す図である。左から順に、固定砥粒を用いたソーワイヤー１２を巻き取った左ボビン１１２が備えられ、ソーワイヤー１２を送り出し提供する。ソーワイヤー１２は、切削部１１６において周回し、右ボビン１１８に巻き取られ、また、右ボビン１１８から送り出される。切削部１１６の上には、ワーク固定部１２０が設けられ、図示しない機構により、所定の速度で固定したワークを押し下げてソーワイヤー１２に押し付け切断し、引き上げてソーワイヤー１２から引き離すことができる。左ボビン１１２には、ソーワイヤー１２を巻き付けた胴体部があり、安定的な送り出し供給を確保すべく、胴体部の周面１２２は、ほぼ同じ径となるようにソーワイヤー１２が巻き取られている。ソーワイヤー１２は、水平に置かれたタッチローラー対１２６、１２８の間を通り、タッチローラー対１２６、１２８に対して直角な方向に水平に置かれるガイドローラー１３０及び、タッチローラー対１２６、１２８に対してほぼ平行に水平に置かれるガイドローラー１３２を通って、切削部１１６を構成する３つのメインローラー１３４、１３６、１３８へと導かれる。ソーワイヤー１２は、これらメインローラー１３４、１３６、１３８を図中奥行き方向に少しずつずれて、メインローラー１３４、１３６、１３８で作る三角柱様の切削部１１６において複数回周回し、上側の左右のメインローラー１３４、１３６間に切削可能なソーワイヤー１２を、実質的に平行に、図中奥行き方向に複数張っている。滑らかな切断面を得るべく、また、発生する熱を逃がすべく切削液が、ワーク固定部１２０を挟んで上側の左右のメインローラー１３４、１３６間に配置された切削液供給装置１５２、１５４からソーワイヤー１２に滴下される。ソーワイヤー１２は更に右のメインローラー１３６を離れ、上記ガイドローラー１３２に対応するガイドローラー１４０及び上記ガイドローラー１３０に対応するガイドローラー１４２を通って、上記タッチローラー対１２６、１２８に対応するタッチローラー対１４４、１４６間を通り、ボビン１１８へと巻き取られる。

上述するように準備されたワイヤーソー１００により、ワーク固定部１２０に固定治具１６２によって固定されたシリコンインゴット１６０を切断する手順について準備段階を含めて説明する。ボビン１１２、１１８を図中の矢印の正転方向に回転させ、ソーワイヤー１２を所定の速度で送り出し、切削液供給装置１５２、１５４から切削液（この切削液には砥粒を含ませる必要がない）を滴下しながら、ワーク固定部１２０を押し下げて、所定の力でシリコンインゴット１６０をソーワイヤー１２に押し付ける。所定距離送り出したところで、ボビン１１２、１１８の回転を止め、逆向きに回転（図中、逆転矢印）させて、右側ボビン１１８で巻き取ったソーワイヤー１２を送り出して、左側ボビン１１２に巻き出した長さよりわずかに短い長さ分を巻き戻す。これにより、往復動でシリコンインゴット１６０を切断する。

図１は、図５に示すようなワイヤーソー１００に用いるソーワイヤー１２の製造装置１０を模式的に示す。芯線１４が、矢印に従って砥粒を固着する電着槽１６を通過後、固定砥粒付ワイヤー素材１８となって出てくるようすを示す。この固定砥粒付ワイヤー素材１８は、目立て部２０を通過することにより、そのルーズ砥粒が除去されている。このようにして得られたソーワイヤー１２は、リールボビン４０により巻き取られて保管される。

図１の矢印で示されるように左下に、目立て部２０の詳細が斜視図で模式的に示されている。まず、固定砥粒付ワイヤー素材１８は、図中ほぼ垂直に立った砥石ローラー対２４、２６の間を通過し、続いて、ほぼ水平に寝た砥石ローラー対２８、３０の間を通過する。これにより、固定砥粒付ワイヤー素材１８がソーワイヤー１２になるのである。この実施例では、処理される固定砥粒付ワイヤー素材１８を中心に２種類の砥石ローラー対が互いにほぼ直角に配置されている。しかしながらこのようなものに限らず、例えば、３種類以上の砥石ローラー対を用いてもよく、それぞれの配置角度（固定砥粒付ワイヤー素材１８を中心にした角度）を処理条件に適合するように適宜変更することができる。例えば、６０度ずつずらして３種類の砥石ローラー対を配置してもよい。前記砥石ローラー対２４、２６は、矢印３２及び３４で示すように加圧され、狭持される固定砥粒付ワイヤー素材１８を所定の圧力で押さえつける。一方、前記砥石ローラー対２８、３０は、矢印３６及び３８で示すように加圧され、狭持される固定砥粒付ワイヤー素材１８を所定の圧力で押さえつける。このとき、前記砥石ローラー対２４、２６、並びに前記砥石ローラー対２８、３０は、固定砥粒付ワイヤー素材１８の進行方向（若しくは搬送方向）に対して逆向きに回転し、固定砥粒付ワイヤー素材１８との間に強い摩擦力を生じさせる。このように逆向きに回転させてもよいが、同じ方向に回転させ、接触表面でせん断力が働くように速度差を設けてもよい。同じ方向に回転させると速度差が小さくなり、よりマイルドな条件で目立てをすることができる。ここで、２つの砥石ローラー対２４、２６、２８、３０は、それぞれ同一のものでもよく、また異なるものでもよい。種類の異なる固定砥粒付ワイヤー素材１８を目立てするのにより好ましい条件をそれぞれ設定することができる。また、加圧力も両砥石ローラー対２４、２６、２８、３０で同一であってもよく、異なっていてもよい。更に、各砥石ローラー２４、２６、２８、３０の回転も、目立て条件に合わせて適宜変更が可能である。特に、砥石ローラー対２４、２６においては、逆方向に同じ速度で回転してもよく、異なる速度で回転してもよい。また、砥石ローラー対２８、３０においても同様である。

ここで、直径０．１２の芯線を用い、平均粒径が約２０μｍ（最大粒径が２５μｍ）のダイヤモンド砥粒を用い、膜厚約１０μｍニッケルめっきにより砥粒を固定した場合を例にして、目立ての条件を挙げると、ワイヤー１８の送り速度は、約５から１０ｍ／分であり、砥石ローラーの径は約５０ｍｍであり、挟み力は０より大きく０．１ｋｇｆ以下［０＜挟み力≦０．１ｋｇｆ］であり、両方の砥石の回転速度は逆方向に１００〜２００ｒｐｍ／分であった。これらは、一例であり、製造するソーワイヤーにより、また、電着等、その他の製造条件や製造装置に応じて適宜調整できることは言うまでもない。

図２は、本発明の目立て部２０により処理をした時のソーワイヤー１２の状態を示す。目立て部２０による処理前（ａ）では、固定砥粒付ワイヤー素材１８には、芯線の周りに特に図示しないめっき層がほぼ均一に広がり、各種砥粒６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄを固定する。図中破線は、砥粒の突き出し量として好ましい範囲を示す。即ちこの破線にその砥粒の先端が並ぶと、均一なソーワイヤーとなり、切削の品質の向上につながる。（ａ）の処理前では、砥粒６０ａ、６０ｂ、６０ｄにおいて、この基準よりも先端部が突き出し不均一な砥粒の固定となっている。一方、ルーズ砥粒６０ｃが砥粒の間隙に挟まっており、比較的弱い力で脱落することが予想される。

図２（ｂ）では、目立て部２０による処理を行った後のソーワイヤー１２の状態を示す。前記の破線による基準に照らして先端部が突き出し不均一となっていた砥粒６０ａ、６０ｂ、６０ｄは、砥石ローラー対２４、２６、２８、３０による押し付けにより、砥粒がめっき層内に押し込まれて、各突起部が基準の破線に並んでいることがわかる。一方、ルーズ砥粒６０ｃは、この目立て部２０による処理により除去され、実際の切削において、脱落し、他の器材及びこのソーワイヤーに損傷を与えるおそれがないことがわかる。

図３Ａから３Ｃは、芯線１４の径と、砥粒６０の大きさに関する１つの考察を行うためのモデルを示す。図３Ａは一部破断斜視図において示し、３Ｂは断面図において示し、３Ｃは特に芯線の半径が小さい場合の例を断面図において示した。各図において、半径Ｒ１の芯線１４には、砥粒６０がめっき部材６２により固定されている。この砥粒は、簡単のため、一辺が１．４＊Ｌ１の立方体と仮定し、しっかり固定され切削に効果があるように一辺が半径方向にまっすぐ突き出し、対向する他辺が芯線１４にほぼ当接するように固定されると仮定する。ここで、今回の実施例において、芯線の径が約０．１２ｍｍ（半径Ｒ１）で、砥粒の平均粒径は約２０μｍであるとする。従って、Ｌ１＝１４μｍとすることができる。めっき部材６２は、図中実線６４（半径Ｒ２）までの厚みがあるとすると、砥粒６０の半分以上が埋まり、非常に強固に固定されることが分かる。一方、図３Ｂに示すように、二点鎖線６６（半径Ｒ３）の厚みである場合は、砥粒６０の固定が十分でないおそれもある。そこで、図３Ａから３Ｃのような砥粒が表面に付着し、ほぼ半分までがめっき部材６２に埋め込まれるのが好ましいとした場合、その両側でどの程度のめっき部材６２の厚みが必要になるかを試算する。

図からわかるように、砥粒６０の両側Ｌ１だけ離れたところのめっき部材６２の厚みＴは、図３Ｃに示すように、断面に辺の長さがＲ１＋Ｌ１、Ｌ１、Ｒ１＋Ｔの直角三角形ＯＰＱを考えれば、ピタゴラスの定理が使えて次の式が成り立つ。
（Ｒ１＋Ｌ１）＾２ ＋ Ｌ１＾２ ＝ （Ｒ１＋Ｔ）＾２
従って、
Ｔ＝（（Ｒ１ ＋ Ｌ１）＾２ ＋ Ｌ１＾２）＾０．５ −Ｒ１
である。また、芯線が断面円形状でなく断面平面状であれば、Ｌ１のめっき部材６２の厚みがあれば十分ということになるが、芯線は、断面円形状であるので、厚みの増加代Ｔｄは、図３Ａ及びＣから明らかなように、Ｔｄ＝Ｔ−Ｌ１ と表すことができる。このＴｄと芯線の径（半径Ｒ２）との関係を考慮すると、ここで、切削効率から望ましい砥粒６０の大きさを決定し、例えば、Ｌ１＝１４μｍで固定する。一方、芯線１４の径は小さい方が切削の精度が向上するので、径が約０．１２ｍｍ（Ｒ１＝約６０μｍ）から、径が約０．０２ｍｍ（Ｒ１＝約１０μｍ）まで変化させ、半径Ｒ１に対する厚みの増加代Ｔｄの割合（Ｔｄ／Ｒ１）を調べると、図４に示すようになる。この図からわかるように、芯線の半径Ｒ１が４０μｍ以下になると急激に割合が増加し、めっき部材６２の付着が困難になってくることが予想される。

図４においてわかるように、砥粒６０の固定が芯線の径を細くすることにより、より困難になり、従って、砥粒の固定の品質がばらつき易くなるので、本願の実施例のような目立てがより有効になることがわかる。

１０ ソーワイヤー製造装置、 １２ ソーワイヤー、 １４ 芯線、
１８ 固定砥粒付ワイヤー素材、 ２０ 目立て部、
４０ リールボビン、 ２４、２６、２８、３０ 砥石ローラー
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 砥粒、 ６２ めっき部材

Claims (7)

1. 表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤーの製造方法であって、
   金属線に砥粒を付着させて結合材により固定して固定砥粒付ワイヤー素材を作る工程と
   前記固定砥粒付ワイヤー素材を目立てする工程を含み、
   該目立てする工程では、前記固定砥粒付ワイヤー素材を砥石ローラー対により狭み加圧することによりルーズ砥粒を除去することを特徴とする固定砥粒付ワイヤーの製造方法。
2. 前記砥石ローラー対は、前記固定砥粒付ワイヤー素材の進行方向に対して逆向きに回転することを特徴とする請求項１に記載の固定砥粒付ワイヤーの製造方法。
3. 前記目立てする工程において、前記固定砥粒付ワイヤー素材を少なくとも２つの異なる角度からそれぞれの前記砥石ローラー対により狭み加圧することを特徴とする請求項１又は２に記載の固定砥粒付ワイヤーの製造方法。
4. 表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤーの製造装置であって、
   金属線に砥粒を付着させて結合材により固定して固定砥粒付ワイヤー素材を作る電着部と前記固定砥粒付ワイヤー素材を目立てする目立て部と目立て後の固定砥粒付ワイヤーを巻き取るボビンと、前記固定砥粒付ワイヤー素材から目立て後の固定砥粒付ワイヤーまでを連続して製造可能に該ワイヤーを送る搬送装置と、前記電着部、前記目立て部、前記ボビン、前記搬送装置を制御する制御部と、を含み、
   前記目立て部は、前記固定砥粒付ワイヤー素材を挟み加圧可能な砥石ローラー対を備えることを特徴とする固定砥粒付ワイヤーの製造装置。
5. 前記砥石ローラー対は、前記固定砥粒付ワイヤー素材の進行方向に対して逆向きに回転することを特徴とする請求項４記載の固定砥粒付ワイヤーの製造装置。
6. 前記目立て部は、前記固定砥粒付ワイヤー素材を異なる角度から挟み加圧可能な別の砥石ローラー対を更に備えることを特徴とする請求項５記載の固定砥粒付ワイヤーの製造装置。
7. 請求項４から６のいずれかの装置により製造されるソーワイヤー。

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