JPH11245156A - マルチワイヤソー用メインローラーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はシリコンインゴット等の切断に用い
られるマルチワイヤソーを構成するメインローラーおよ
びその製造方法を提出する。 【解決手段】 ローラーに懸架した複数のワイヤによっ
て、高精度切断するマルチワイヤソーのメインローラー
のシャフトが炭素鋼より熱膨張係数の小さい低熱膨張材
からなり、機械構造用炭素鋼からなるメインローラー軸
受部と摩擦圧接によって一体的に接合されることを特徴
とし、その低熱膨張材がスーパーインバー、もしくはイ
ンバーからなり、加熱後の冷却速度を規定することによ
って低熱膨張材の熱膨張係数と機械構造用炭素鋼の硬度
を安定化させるとともに、その後、高周波焼入れにより
軸受部の耐摩耗性を付与することを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコンインゴット
等の切断に用いられるマルチワイヤソーを構成するメイ
ンローラーおよびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板用のシリコンインゴットは単
結晶ウエハの大口径化に伴いこれまで主流となっていた
内周刃式スライシングマシンからマルチワイヤソーが使
用されるようになってきた。このマルチワイヤソーは図
４に示すように、１本のワイヤ１０をメインローラー
（溝付きローラー）１１に所定のピッチで複数回巻付け
往復走行させながら、切削剤としてスラリーを供給し、
インゴット１２をフィードユニット１６で制御しながら
押付け、一度に多数枚のウエハ切断を行う装置である。
（例えば、“半導体基板大口径化に向けての次世代加工
技術”１９９６，２，１５、日本機械学会、Ｐ１１参
照） 従来、このメインローラー１１は図３に示すように、Ｓ
４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼シャフト８と機械構造用軸
受部４を溶接施工９にて接合してメインローラーを構成
していた。しかる後、軸受部４内面を高周波焼入れによ
り強化して耐摩耗性を向上させ、回転軸と嵌合して使用
していた。

【０００３】前記メインローラーと軸受部の接合として
通常の溶接では、母材は一旦融液まで加熱され、その後
凝固される。この過程においては、高温割れ感受性の高
いインバー材では、硫黄、リン等をかなりのレベルに低
め、酸化物及び硫化物の粒界脆化、硫化物の再熱による
溶融化等を防止する厳しい対策が必要となる。（例え
ば、製鉄研究、第３１８号、１９８５，Ｐ４２参照）こ
のことからも、高温割れが発生し易く溶接施工の安定性
に難点があった。このため、これまで機械構造用炭素鋼
を用いるのが一般的であった。一方、切断精度から、現
状の機械構造用炭素鋼では、シリコンインゴットの切断
が行われると、ワイヤの往復走行により、切断中加工熱
が発生すること、又回転軸からの熱伝達があること等の
ために約１２×１０^-6／℃の熱膨張係数を有する機械構
造用炭素鋼は軸方向に膨張し、ワイヤ溝位置を変化さ
せ、そのため切断されるシリコンの厚み精度に問題があ
った。そこで、現状の溶接接合を前提として、かつ熱膨
張率の小さい材料を使用して、ウエハの高精度切断を実
現する方法が望まれていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、メイン
ローラーのシャフトに熱膨張係数の小さいインバー材を
使用することが有利となる。しかし、インバー材を一体
構造として、メインローラー全体を構成する場合には、
回転軸との嵌合部での、完全オーステナイト系であるイ
ンバー材の使用により硬度が低くなるという問題があ
る。

【０００５】また、インバー材のシャフトを従来より用
いられている機械構造用炭素鋼と溶接施工により接合す
ることは、前述のように、インバー材に溶接高温割れが
生じ易すく接合の安定性が問題となる。そこで本発明は
このような実情に鑑み、熱膨張係数の小さいインバー材
を用いたメインローラーを接合によってシャフトと軸受
部を一体化することによって、精度良い切断を可能とす
るマルチワイヤソー用メインローラー及びその製造方法
を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する本
発明の要旨とするところは下記のとおりである。 （１）ローラーに懸架した複数のワイヤによって高精度
切断するマルチワイヤソーにおいて、メインローラーの
シャフトが、機械構造用炭素鋼より熱膨張係数が小さい
低熱膨張材からなり、前記低熱膨張材のシャフトは、機
械構造用炭素鋼からなる前記メインローラー軸受部と摩
擦圧接法によって接合され、一体的に構成されることを
特徴とするマルチワイヤソー用メインローラー。

【０００７】（２）（１）の低熱膨張材がスーパーイン
バー、もしくはインバーのうちいずれか１種からなるこ
とを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラー。 （３）（１）または（２）のマルチワイヤソー用メイン
ローラーの製造において、摩擦圧接によって前記シャフ
トとメインローラー軸受部を一体的に接合し、その後８
００℃〜１０００℃に保持した後、冷却速度を規定する
ことにより、低熱膨張材の熱膨張係数を１×１０^-6／℃
以下とし、同時にその軸受部の接合相手材である機械構
造用炭素鋼の硬度をＨ_R Ｃ１０以下に調整してなすこと
を特徴とするマルチワイヤソー用メインローラーの製造
方法にある。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明では、インバー材と機械構
造用炭素鋼とを摩擦圧接によって一体的に接合した後熱
処理を施すことにより、熱膨張を１／１０〜１／１２に
低減出来、切断時の発熱による精度の低下を防止でき、
また、シャフトとその軸受としての機械的性質を調整し
て、両者を十分に満足して、かつ、軸受部での従来の高
周波焼入れも行なうことが可能であり、耐摩耗性をさら
に向上させることが出来る。このことから切断時の温度
上昇に対する熱膨張を防止して、ウエハ等の多数片の切
断を一度に、かつ精度良く行なうことが出来る。

【０００９】より具体的には、本発明では図１に示すよ
うに、メインローラーの回転軸６との嵌合部５となる軸
受部４にはその耐摩耗性を改善するために高周波焼入れ
の可能な、かつ機械的特性において信頼度の高いＳ４５
Ｃ等の機械構造用炭素鋼を採用する。ローラーシャフト
１は熱膨張係数の小さい材料として、好ましくはインバ
ー材、もしくはスーパーインバーである。このオーステ
ナイト系のインバー材のシャフト１とＳ４５Ｃ等の機械
構造用炭素鋼軸受部４とを接合する方法として、材料間
に一定の加圧力を加えた状態で回転させることによって
接合する固相接合法としての摩擦圧接法を用いる。シャ
フトと軸受部４からなる接合面に摩擦熱が発生し、回転
側に対して静止側が前進し寄り代としてバリを発生させ
て一体的に接合して、メインローラーを製作する。本発
明の摩擦圧接は図２の接合状況に示すように、その工程
は予熱、本加圧およびアプセットの工程により行われ
る。この時適切な圧接条件を採用する事により安定した
接合を行うことが出来る。また、本発明の摩擦圧接は、
前記図２のようなブレーキ方式（制動式）または他のフ
ライホイール方式（畜勢式）等によってなされるもので
ある。材料間には摩擦圧力と回転数によって、摩擦熱で
局部的に温度上昇が起こる。（最高で融点直下まで上
昇）その時、材料は赤熱状態になって軟化し接合面はカ
ールして膨らみ（ばり）を生じてくる。また、回転側に
対して、静止側の材料が前進してくる（寄り代）。その
際、トルクの急激な上昇を生じ、材料の軟化とともに速
やかに安定値となる。このようにして、予熱、本加圧、
アプセットと順次荷重を増す。アプセット過程では回転
の停止とアプセット荷重により急激に寄り代が生じて接
合が完了する。以上の工程について前記図２では、温
度、回転数、加圧荷重および摩擦トルクならびに寄り代
の変化を模式的に示している。

【００１０】また、本発明の摩擦圧接では、後述の実施
例にあるように、接合面の酸化物、吸着物、汚れ等はば
りとなって押し出され、強力な固相接合が行われる。こ
のように、通常溶接である融接にあるような鋳造組織、
粗大結晶粒、大気による汚れ等の発生はなく、母材に対
して強度の低下はほとんど認められない健全な接合が得
られる。

【００１１】以下、本発明について実施例に基づいてさ
らに詳述する。

【００１２】

【実施例】本実施例においては、本発明の摩擦圧接によ
ってメインローラーを製作し、その後に機械加工を容易
ならしめるため、およびインバー材の熱膨張係数を低位
に安定化させる処理、ならびに軸受部嵌合に必要な硬度
を得る処理について等の工程条件の決定のために実施し
たものである。

【００１３】本実施例では、表１に示すようなスーパー
インバー材（３２Ｎｉ−５Ｃｏ−Ｆｅ）と機械構造用炭
素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用い、表２に示すような回転数を１
６００回転／分とし、予熱荷重２．３〜２．６kg／m
m² 、加圧荷重９．６〜１０．０kg／mm² およびアプセ
ット荷重は１５．５〜１６．０kg／mm² が安定した接合
条件である摩擦圧接条件で摩擦圧接を行なった。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】圧接後の接合部からテストピースを採取し
引張りテストを行った。その結果を表３に示す。

【００１７】

【表３】

【００１８】これらの結果から、接合するサイズに適し
た圧接条件（特に寄り代：接合前の材料長さ−接合後の
材料長さ）を採用することにより接合は安定して行われ
ることがわかる。サイズＡの場合は２．４mm以上、サイ
ズＢの場合は５mm以上、サイズＣの場合は７mm以上の寄
り代条件に於いて接合部ではなく材料強度の低いインバ
ー材側で破断していることからもわかる。

【００１９】次に摩擦圧接終了後、機械仕上加工を行っ
てメインローラーを製作した。本実施例ではこの時イン
バー材の熱膨張係数を従来材より小さく安定させ（要
件：Ａ）、同時に機械構造用炭素鋼の機械仕上加工用と
しての切削性を十分満足させる。（要件：Ｂ）このため
のインバー材および機械構造用炭素鋼の熱処理条件を決
定する必要があった。表４に示すように機械構造用炭素
鋼を８３０℃に保持した後、空冷（Ａ．Ｃ.)を行うこと
によりＨ_R Ｃ１０以下の硬度となり容易に機械加工とし
ての切削加工を行うことが出来た。また、表５に示すよ
うにインバー材においても、同じく８３０℃に保持した
後、空冷（Ａ．Ｃ.)を行うことにより１．０×１０^-6／
℃以下の小さい熱膨張係数で、かつ安定化出来ることが
わかった。

【００２０】すなわち、従来では、融接を前提とした溶
接施工によりメインローラーを製作し、その後溶接後の
歪取り焼鈍が行なわれる。この方法では、オーステナイ
ト系のインバー材は適用が困難であった。しかし本実施
例から、摩擦圧接を採用可能とする接合条件を確立し、
さらに熱処理として冷却条件を規制することによって、
機械構造用炭素鋼の硬度を極端に低め、同時にインバー
材の熱膨張を従来材より１／１０〜１／１２に低下させ
安定化させることを加熱後の冷却速度を規定することに
よって可能とした。

【００２１】

【表４】

【００２２】

【表５】

【００２３】このように適切な熱処理条件を採用するこ
とにより前記ＡとＢの要件を両立させることが出来た。
尚この後、機械構造用炭素鋼軸受部４の嵌合面５には従
来より行われている高周波焼入れを施す事により回転軸
との嵌合に必要な硬度を与えることができた。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、熱膨張による切断時の
メインローラーのガイド溝のずれが防止されるので、大
口径シリコンウエハ等の切断片の寸法精度、表面性状が
安定したものが得られる。なお、摩擦圧接の最適条件が
把握出きたので、接合材の品質レベルを安定化させるこ
とが出きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るメインローラーの構成を示す概要
図である。

【図２】本発明の摩擦圧接接合の時間と、接合工程状況
を示す説明図である。

【図３】従来のメインローラーの構成を示す概要図であ
る。

【図４】従来のワイヤソーの全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１…低熱膨張材シャフト ２…溝付きスリーブ ３…摩擦圧接接合部 ４…軸受部 ５…嵌合部 ６…回転軸 ７…中空部 ８…炭素鋼シャフト ９…溶接施工部 １０…ワイヤ １１…メインローラー １２…インゴット １３…端材ボックス １４…スラリノズル １５…モーター １６…フィードユニット １７…巻取りリール １８…新線リール １９…ダンサロール

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ローラーに懸架した複数のワイヤによっ
   て高精度切断するマルチワイヤソーにおいて、メインロ
   ーラーのシャフトが、機械構造用炭素鋼より熱膨張係数
   が小さい低熱膨張材からなり、該低熱膨張材のシャフト
   は、機械構造用炭素鋼からなる該メインローラー軸受部
   と摩擦圧接法によって接合され、一体的に構成されるこ
   とを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラー。
2. 【請求項２】 請求項１の低熱膨張材がスーパーインバ
   ー、もしくはインバーからなることを特徴とするマルチ
   ワイヤソー用メインローラー。
3. 【請求項３】 請求項１または２のマルチワイヤソー用
   メインローラーの製造において、摩擦圧接によって該シ
   ャフトとメインローラー軸受部を一体的に接合し、その
   後８００℃〜１０００℃に保持した後、冷却速度を規定
   することにより、低熱膨張材の熱膨張係数を１×１０^-6
   ／℃以下とし、同時にその軸受部の接合相手材である機
   械構造用炭素鋼の硬度をＨ_R Ｃ１０以下に調整してなす
   ことを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラーの
   製造方法。