KR100299102B1 - 취성재료절단용다이아몬드전착와이어및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 잉곳등과 같은 경질 취성재료의 절단용 공구로 사용되는 다이아몬드 전착 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 다이아몬드 전착 와이어는, 한가닥의 심선 주위에 일정한 피치로 나선상으로 감겨지는 적어도 한가닥의 스틸 소선으로 이루어진 랩핑소선과, 심선의 주위에 랩핑소선이 감겨져 이루어진 랩핑심선의 표면에 형성되는 다이아몬드 입자를 포함하는 2차 도금층으로 구성되며, 이때 상기 2차 도금층의 외면에는 나선상 요홈부로 이루어진 칩포켓이 형성된 구조로 이루어지며, 이러한 본 발명의 와이어는 한가닥의 심선 주위에 일정한 피치로 적어도 한가닥의 랩핑소선을 감아서 랩핑심선을 얻은 다음 랩핑심선의 표면을 금속도금액으로 도금하는 과정에서 금속의 석출과 함께 다이아몬드 입자의 전착이 이루어지도록 하는 일련의 공정을 통해서 제조된다.

본 발명의 랩핑 다이아몬드 전착 와이어는 표면부에 나선상으로 요입된 칩포켓이 형성되어 있음에 따라 취성재료 절단시 절단 슬러리의 원활한 배출이 이루어져서 절단능율이 크게 향상되며 또한 큰 직경의 실리콘 잉곳등에 대해서도 와이어의 단선이 발생함이 없이 절단이 가능하다는 이점이 있으며, 절단면에 절단흔적을 최소화함으로써 연마공정에 소요되는 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어 및 그 제조방법

본 발명은 경질 취성재료의 절단에 사용되는 다이아몬드 전착 와이어에 관한 것으로, 보다 자세하게는 한가닥의 심선 주위에 적어도 한가닥의 랩핑심선을 나선상으로 감아서 형성되는 랩핑심선의 표면에 니켈등의 도금층 형성시 다이아몬드 입자의 전착이 함께 이루어지도록 함으로써 와이어의 외주면상에 형성된 나선요입부 형태의 칩포켓에 의해 취성재료의 절단시 피삭재의 절단면 오염이나 절단 슬러리의 막힘이 방지되고 우수한 절단능이 발휘되도록 한 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 재료로 사용되는 실리콘이나 갈륨-비소 잉곳이나 유리와 같은 경질 취성재료(硬質 脆性材料)의 절단에 사용되는 종래의 공구로는 다이아몬드 입자가 고착된 원판상 블레이드 톱, 유리분말등의 절단용 슬러리를 절단부에 공급하면서 다수개의 와이어를 절단면에 통과시키는 멀티와이어 톱 및 피아노선등의 와이어 표면에 다이아몬드 입자를 전착(電着)시킨 다이아몬드 전착 와이어등이 알려져 있다.

상기 종래의 취성재료 절단용 공구중에서 블레이드 톱은 절단능은 우수하나 다이아몬드 입자의 마모나 절단중 슬러리의 막힘이 심하게 일어나서 가공능율이 떨어지고 또한 절단면에 크랙의 흔적이 크다는 문제점이 있다. 이에 더하여 최근에는 실리콘 잉곳이 대형화 추세를 취하고 있음에 따라 블레이드 톱도 대형화(대직경화)되고 있으며 절단 로스의 감소를 위해 블레이드의 두께도 박판화되고 있는 바, 현재 실리콘 잉곳의 직경이 종래의 6인치에서 8인치로 변화되어 사용되고 있고 앞으로 12인치 이상이 예상되고 있는 실정이어서 이에 부합하는 블레이드의 박판화에는 한계가 따르고 있다.

그리고, 절삭용 슬러리를 사용하는 멀티와이어 톱의 경우에는 슬러리 혼탁액에 경유를 혼합하여 사용하기 때문에 피삭재가 오염되기 쉬우며 절단과정에서 발생된 폐슬러리 혼탁액의 처리가 까다로워 환경오염을 일으키는 문제점과 함께 절단속도가 늦고 절단면이 거칠어지는 단점도 아울러 지적되고 있다.

한편, 다이아몬드 전착 와이어는 상기 여타의 취성재료 절단공구에 비해 피삭재의 절단면에 가공크랙을 덜 생성시키며 정밀도가 상대적으로 높다는 특성을 지님에 기인하여 특히 실리콘 잉곳등의 반도체 재료 절단용 공구로서 널리 사용되고 있는 바, 이러한 종래 다이아몬드 전착 와이어의 대표적인 몇가지를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 일본국 특허공보 소62-260006호에는 피아노 선재의 표면을 열처리하여 연한 페라이트 조직으로 변환시킨 상태에서 그 표면에 다이아몬드 입자를 물리적으로 박아넣은 다이아몬드 전착 와이어가 개시되어 있는 바, 이는 와이어 표면에 흠(크랙이나 스크래치)이 많아 절단작업중에 단선이 발생하기 쉬워서 실제 사용상에 문제가 많은 것으로 알려지고 있다.

다음, 피아노 선재의 표면에 도금층을 형성할 때 다이아몬드 입자가 동시에 전착되도록 한 형태의 다이아몬드 전착 와이어로서, 이같은 와이어는 두 개의 롤러 사이에서 엔드레스 와이어(endless wire) 형태로 설치되어 구동롤러의 회전에 의해서 와이어의 연속적인 이송이 이루어지도록 하는 가운데 피절단재를 와이어 이송로상에 접근시켜 피삭재의 절단이 이루어지도록 하고 있다. 상기 형태의 다이아몬드 전착 와이어는 비교적 손쉽게 제작이 가능하고 직경이 큰 피삭재의 절단도 가능하다는 장점을 지니고 있긴 하나, 절단중에 슬러리 막힘 현상이 발생되어 8인치 이상의 잉곳을 절단하는 때에는 절단 도중에 와이어의 파단이 일어나거나 도금층의 박리 및 다이아몬드 입자의 탈락이 발생되어 절단흔적이 크고 거칠은 절단면이 형성되어 절단후 실리콘 웨이퍼의 연마에 많음 시간이 소요되는 등의 문제점이 있다.

또한, 상기 다이아몬드 전착 와이어와는 또 다른 구조로서 일본국 공개특허공보 평7-96455호에는 피아노선에 니켈도금층을 형성한 후 그 위에 불소수지등의 수지층을 코팅한 다음 수지층을 일정폭의 나선상으로 제거하여 노출된 도금층위에 선택적으로 2차 도금층의 형성과 함께 다이아몬드 입자를 전착시킨 나선형 다이아몬드 전착 와이어가 개시되어 있다. 그러나, 상기 형태의 다이아몬드 전착 와이어는 그 제작공정중 수지코팅층을 형성하고 그 수지코팅층을 나선상으로 연삭제거하는 작업을 포함하고 있음에 따라 공정수가 많고 연속공정에서 생산성을 향상시키기가 곤란하여 제조비용이 많이 드는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래 경질 취성재료의 절단에 사용되는 다이아몬드 전착 와이어에서 지적되고 있는 상기의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 한가닥의 심선 주위에 적어도 한가닥의 랩핑심선을 나선상으로 감아서 형성되는 랩핑심선의 표면에 니켈등의 도금층 형성함에 있어 다이아몬드 미립자의 전착이 함께 이루어지도록 하여 와이어의 외주면상에 칩포켓이 형성되도록 함으로써 취성재료의 절단시 피삭재의 절단면 오염이나 절단 슬러리의 막힘이 방지되고 우수한 절단능이 발휘되도록 한 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어 및 그 제조방법을 제공하는 데 발명의 목적을 두고 있다.

도1은 본 발명의 일실시예 다이아몬드 전착 와이어의 일부절결 정면도.

도2의 A - E는 도1의 A-A선 내지 E-E선 단면도.

도3은 본 발명의 일실시예 다이아몬드 전착 와이어의 외관을 보인 사시도.

도4는 본 발명의 다른 실시예 다이아몬드 전착 와이어의 일부절결 정면도.

도5는 본 발명의 일실시예 래핑심선 제조과정을 보인 연선장치의 개략구조도.

도6은 본 발명 다이아몬드 전착 와이어의 피치변화에 따른 절단능률을 종래 단선 다이아몬드 전착 와이어와 비교하여 보인 그래프.

도7은 본 발명 다이아몬드 전착 와이어의 피치와 절단횟수에 따른 절단능률 거동을 보인 그래프.

(( 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ))

1. 심선 2. 랩핑소선

3. 랩핑심선 4. 다이아몬드 입자

5. 2차 도금층 6. 칩포켓

본 발명의 상기 목적은, 한가닥의 피아노 선재로 이루어진 직선상의 심선과, 심선의 주위에 일정한 피치로 나선상으로 감겨지는 적어도 한가닥의 피아노선 또는 스틸 소선으로 이루어진 랩핑 소선과, 심선의 주위에 랩핑 소선이 감겨져 이루어진 랩핑심선의 표면에 형성되는 다이아몬드 입자를 포함하는 2차 도금층으로 구성된 다이아몬드 전착 와이어 구조에 의해서 달성된다.

이때, 상기 심선은 주로 고강도의 피아노 와이어가 사용되며 그 직경은 0.05 - 2.0mm 범위가 바람직하고, 랩핑소선은 0.03 - 0.15mm의 직경을 갖는 피아노선이나 스틸 소선이 바람직하다.

그리고, 랩핑심선을 구성하는 랩핑소선은 한 가닥 또는 2 - 5가닥의 소선이 심선의 주위에 30° - 60°의 연입각도를 유지하면서 심선의 주위에 스파이럴상으로 권회되어 진다. 상기 랩핑소선이 스틸 소선인 경우에는 랩핑 전에 동이나 주석 또는 니켈도금으로 1차 하지도금이 행해지는 데, 이때 형성되는 도금층의 두께는 5μm 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

그러나 랩핑소선이 스틸 소선이 아닌 경우에는 굳이 1차 하지도금을 행할 필요는 없으며, 경우에 따라서는 랩핑심선을 이루는 랩핑소선이 스틸소선인 경우라도 1차 하지도금은 랩핑후 2차 본도금을 수행하기 전에 행하여질 수도 있다.

랩핑소선으로 사용되는 스틸 소선의 1차 도금방법으로서는 무전해 도금 혹은 전해도금등을 비롯한 여러 도금방법이 사용될 수 있으며, 특별히 도금방법에 대한 제한은 존재하지 않는다. 한편, 랩핑전에 1차 도금을 행하는 경우에는 발청이 없고 1차 도금한 다음 스풀에 권취하여 이후 공정으로서의 랩핑과 함께 2차 도금을 연속적으로 행할 수 있다.

그러나, 랩핑 후에 1차 도금과 2차 도금을 행하는 방식에서는 전 공정이 연속적으로 행해지게 된다. 따라서, 보다 우수한 도금의 밀착성이 요구되는 때에는 1차 도금하여 랩핑한 다음 2차 도금하는 것이 보다 효과적이다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과를 비롯한 와이어 제조과정은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도1은 본 발명의 일실시예 다이아몬드 전착 와이어의 일부절결 정면도이고, 도2의 A - E는 도1의 A-A선 내지 E-E선 단면도이며, 도3은 본 발명의 일실시예 다이아몬드 전착 와이어의 외관을 보인 사시도이다.

도시된 바와같이, 본 발명의 다이아몬드 전착 와이어는, 한가닥의 피아노 선재로 이루어진 직선상의 심선(1)과, 심선(1)의 주위에 일정한 피치로 나선상으로 감겨지는 한가닥의 피아노선 또는 스틸 소선으로 이루어진 랩핑소선(2)과, 심선(1)의 주위에 랩핑소선(2)이 감겨져 이루어진 랩핑심선(3)의 표면에 형성되는 다이아몬드 입자(4)를 포함하는 2차 도금층(5)으로 구성되어 있다.

이때, 상기 랩핑심선(3)을 구성하는 심선(1)의 직경(dc)은 0.05 -2.0mm이고, 랩핑소선(2)의 직경(dw)은 0.03-0.15mm 범위를 유지하는 바, 이와같은 랩핑심선(3)의 피치(P_wrap)는 아래의 식을 만족하도록 형성하는 것이 바람직하다.

P_wrap= dc × (1.5 ∼ 12.0)

상기 랩핑심선(3)은 심선(1)의 주위로 나선상으로 감겨진 랩핑소선(2)에 의해서 그 외주면이 나선상 요홈부와 나선상 돌출부가 연속된 형상을 이룸에 따라 이러한 외주면에 형성되는 2차 도금층(5)의 외주면 형상 역시도 나선상 요홈부와 나선상 돌출부가 교호로 형성된 요철곡면을 이루게 되며, 그와같은 상기 2차 도금층(5)의 나선상 요홈부는 칩포켓(6)을 형성하게 된다.

상기 2차 도금층(5)은 니켈이나 동등으로 구성되며 그 두께는 20 - 60μm 정도이고, 2차 도금층(5) 형성과정에서 도금층과 함께 전착되는 다이아몬드의 입자크기는 대략 20 - 60μm 이다. 따라서, 다이아몬드 입자(4)는 대개 일부가 2차 도금층(5) 내부에 매입되고 나머지는 2차 도금층(5)의 외부로 돌출된 형태를 취하게 된다.

이와같은 2차 도금층(5)은, 20 - 60μm 크기의 다이아몬드 입자(4)를 전기도금조에 첨가한 상태에서 랩핑심선(3)에 음극을 연결하고 도금액에 양극을 연결하여 도금시간과 전류밀도를 적절하게 조절함으로써 얻어지게 된다. 이때, 다이아몬드 입자(3)의 전착은 2차 도금조의 제1번 혹은 제2번조에서 이루어지게 되는 데, 일예로 1번조에서 다이아몬드 입자를 도금액과 함께 전착시킨 후 2번조에서는 금속도금액으로부터 금속의 석출이 이루어지도록 함으로써 도금층의 두께를 30μm 이상으로 유지시키면서 다이아몬드 입자를 더욱 견고하게 고착시킬 수 있다.

다음, 도4는 본 발명의 다른 실시예 다이아몬드 전착 와이어 구조를 보인 일부 절결 정면도로서, 도시된 바의 본 실시예 다이아몬드 전착 와이어는 앞서 살펴본 바의 도1 내지 3도의 실시예 구조에 비해 심선(1)의 주위에 감겨지는 랩핑소선(2a)(2b)이 두가닥인 구성을 제외하고는 그 외의 모든 구조가 동일하다.

이와같은 본 발명 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어의 제조과정은 다음과 같다.

본 발명의 다이아몬드 전착 와이어 제조과정은 크게 심선(1)의 주위에 랩핑소선(2)을 권회하여 랩핑심선(3)을 제작하는 단계와, 랩핑심선(3)의 전 표면에 대하여 2차 도금과 함께 다이아몬드 입자의 전착이 이루어 지도록 하는 단계의 2단계 공정으로 이루어진다.

먼저, 1단계의 랩핑심선(3) 제작단계는, 심선용 소재 와이어와 랩핑소선용 소재 와이어를 전해탈지, 수세, 산세, 1차도금, 수세, 건조로 이어지는 일련의 공정을 행하여 심선(1)과 랩핑소선(2)을 마련한 다음 도5에 도시된 바와같이 심선(1)은 공급보빈(7)에 권취하고 랩핑소선(2)은 스풀(8)에 권취한 상태에서 공급보빈(7)으로부터 인출되어 다수개의 안내롤러(9a -9d) 및 캡스턴(10)을 거쳐 권취보빈(11)에 권취되는 심선(1)의 이동경로상에 상기 랩핑소선(2)이 감겨진 스풀(8)을 설치하여 그 스풀(8)을 이동중에 있는 심선(1)의 주위로 회전시키면서 심선(1)측으로 랩핑소선(2)을 공급함에 의해서 심선(1)의 주위에 일정한 랩핑 피치(P_wrap)를 갖는 랩핑심선(3)이 얻어지게 된다.

이때, 상기 소선(1) 및 랩핑심선(2)에 대한 1차 도금은 랩핑심선(3)으로 성형이 완료된 이후에 수행될 수도 있다.

그리고, 랩핑 피치(P_wrap)의 조절은 심선(1)의 이동속도 및 스풀(8)의 회전속도를 조절함에 의해 조정이 가능하게 되며, 심선(1)의 주위에 감겨지는 랩핑소선(2)의 가닥수를 2개 이상으로 하고자 하는 때에는 그에 상응하는 갯수의 스풀(8)을 심선(1)의 이동로상에 설치하면 된다.

이와같은 과정을 거쳐 랩핑심선(3)이 얻어지게 되면 2단계 공정으로서 랩핑심선(3)의 주위에 2차도금을 행하게 되는 데, 그 구체적인 공정은 다음과 같다.

먼저, 공급대로부터 공급되는 랩핑심선(3)에 대하여 탈지, 수세 및 산세를 순차적으로 행한 후 다이아몬드 입자가 포함된 도금조에서 2차도금을 행하여 랩핑심선(3)의 주위에 2차 도금층의 형성과 함께 다이아몬드 입자(4)의 전착이 이루어지도록 한 다음 수세 및 건조 과정을 수행함에 의해서 본 발명의 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어의 제작이 완료된다.

상기 2차 도금은 전기도금이나 화학도금 모두 가능하나 도금밀착성 면에서 화학도금보다는 전기도금이 바람직하다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

선경 0.1mm의 심선과 선경 0.1mm의 랩핑소선에 대하여 랩핑 전에 전처리 공정을 거친 후 메칠설폰산욕으로 주석도금하고 설퍼민산욕으로 니켈도금을 행하여 일정한 간격으로 피치를 변화시켜 랩핑하여 랩핑심선을 제작하였다.

이어서, 상기 랩핑심선에 대하여 2차 도금을 행하였는 데, 이때 도금욕은 상기 1차 도금과 동일한 설퍼민산욕으로 니켈도금을 행함에 있어 니켈 도금과 동시에 40μm의 입자 크기를 갖는 다이아몬드가 균일하게 전착되도록 하여 다이아몬드 입자가 전착된 와이어를 얻었다.

이때, 상기의 제조과정과 동일한 공정으로 심선에 감기는 랩핑소선의 가닥수를 2가닥, 3가닥 및 4가닥으로 변화시켜 랩핑소선의 가닥수를 서로 달리하는 다수의 다이아몬드 전착 와이어를 제작하였다.

이와같이 해서 얻어진 본 발명의 다이아몬드 전착 와이어를 이용하여 실리콘 잉곳에 대한 절단 시험을 행하였다.

시험에 사용된 실리콘 잉곳의 직경은 6인치 및 8인치이고, 절단용 다이아몬드 전착 와이어 5본을 1mm의 간격으로 서로 평행되게 배치하여 350m/min의 이동속도로 와이어의 이동이 이루어지도록 함에 의해서 실리콘 잉곳의 절단이 이루어지도록 하였다.

이와같이 해서 얻어진 실리콘 웨이퍼의 절단면을 종래 다이아몬드 전착 와이어로 절단된 실리콘 웨이퍼와 비교하여 본 바, 본 발명의 다이아몬드 전착 와이어에 의해서 얻어진 웨이퍼는 절단흔적이 훨씬 적었고, 그에 따라 절단후 웨이퍼 표면에 대한 연마시간을 2배 이상 감소시킬 수 있었다.

도6은 본 발명의 랩핑 다이아몬드 전착 와이어와 종래 단선 다이아몬드 전면 전착 와이어의 절단능율을 비교하여 나타낸 그래프로서, 본 발명의 랩핑 다이아몬드 전착 와이어는 종래의 단선 다이아몬드 전면전착 와이어에 비해 절단능이 약 3.5배 향상되었고, 본 발명의 실시예 와이어간에 있어서는 랩핑 피치가 적을수록 절단능율이 우수함을 알 수 있었다.

한편, 도7은 본 발명 랩핑 다이아몬드 와이어의 랩핑 피치와 절단횟수에 따른 절단능률의 변화를 보인 그래프로서, 랩핑 피치가 적을수록 또한 절단횟수가 증가할수록 절단능률이 향상됨을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와같이, 본 발명의 랩핑 다이아몬드 전착 와이어는 간단한 제조공정을 통해서 제작되므로 제조비용을 절감할 수 있고, 또한 표면부에 나선상으로 요입된 칩포켓이 형성되어 있음에 따라 실리콘 잉곳등의 취성재료 절단시 절단 슬러리의 원활한 배출이 이루어져서 종래의 칩포켓이 없는 전면전착 와이어에 비해 절단능율이 크게 향상되며 또한 큰 직경의 실리콘 잉곳등에 대해서도 와이어의 단선이 발생함이 없이 절단이 가능하다는 이점이 있다.

또한 본 발명의 랩핑 다이아몬드 전착 와이어를 이용한 취성재료의 절단시에는 절단면에 절단흔적을 최소화함으로써 이후의 연마공정에 소요되는 시간 및 노력을 줄일 수 있는 효과와 함께 절단시 경유 대신에 수계(水系)의 절삭유 사용이 가능하므로 피삭재의 오염을 피할 수 있음과 아울러 폐수처리를 용이하게 수행할 수 있는 이점도 아울러 지니고 있다.

Claims (4)

1. 0.05 - 2.Omm의 직경을 갖는 한가닥의 고강도 강선으로 이루어진 직선상의 심선과, 심선의 주위에 나선상으로 감겨지는 적어도 한가닥의 0.02 - 0.15mm 직경의 금속 소선으로 이루어진 랩핑소선과, 심선의 주위에 랩핑소선이 감겨져 이루어진 랩핑심선의 표면에 형성되는 다이아몬드 입자를 포함하는 20 - 6O㎛ 두께의 니켈이나 동 재질의 2차 도금층으로 구성되며, 이때 상기 2차 도금층의 외면에는 나선상 요홈부로 이루어진 칩포켓이 형성됨을 특징으로 하는 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어.
2. 제1항에 있어서, 상기 랩핑심선을 이루는 심선과 랩핑소선의 표면은 니켈, 동 또는 주석등과 같은 1차 도금층으로서의 금속도금층이 형성된 것을 특징으로 하는 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어.
3. 0.05 - 2.Omm의 직경을 갖는 고강도 강선으로 이루어진 한가닥의 심선 주위에 한가닥의 랩핑소선을 나선상으로 감아서 랩핑심선을 얻은 다음 랩핑심선의 표면을 니켈이나 동으로 이루어진 금속도금액으로 도금하여 외면에 요홈부가 구비된 20 - 60㎛ 두께의 도금층이 형성되는 과정에서 금속의 석출과 함께 다이아몬드 입자의 전착이 이루어지도록 함을 특징으로 하는 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 심선과 랩핑소선은 랩핑 전 또는 랩핑 후에 동, 주석 또는 니켈 등과 같은 금속도금액에서 금속석출층으로 1차 하지도금이 행해짐을 특징으로 하는 취성재료 절단용 다이아몬드 전착 와이어의 제조방법.