KR100338386B1 - 밀착성이 우수한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉고트와 같은 경질 취성재료의 절단용 공구로 사용되는 다이어몬드 전착 와이어 쏘우와 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명 다이어몬드 전착 와이어 쏘우는, 피아노선과 같은 고강도 선재의 표면에 1차 하지도금으로서 구리 또는 황동도금을 행한 후, 1차 도금된 선재의 표면에 다이어몬드 지립이 들어 있는 3조의 니켈 도금조에서 니켈-다이어몬드를 전착시키고 4번째 니켈 도금조에서는 니켈도금만을 행하므로써 니켈 도금층에 다이어몬드 지립을 단단히 결속시킨 상태로 제조된다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 1차 하지 도금층의 두께는 1㎛이하로 하고, 2차 도금층의 두께는 18∼25㎛의 범위로 제어하며, 5∼30㎛ 크기의 다이어몬드 지립을 사용하여 도금 완료 후 니켈 도금층에 대한 다이어몬드 지립의 충진율이 5∼30%가 되도록 조절하는 데에 기술적 특징이 있다.

상기와 같이, 도금층의 두께와 다이어몬드 지립의 크기 및 충진율이 적절히 제어된 본 발명의 다이어몬드 전착 와이어 쏘우는, 종래의 것에 비해 다이어몬드 지립의 마모와 탈락이 현저히 감소하므로써, 탈락된 지립이 섞인 슬러리에 의한 절단부의 막힘 현상과 절단면의 절단 흔적이 감소되는 잇점이 있다.

Description

밀착성이 우수한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우 및 그 제조방법{Wire saw with adhesive diamond electrodeposited on it and its manufacturing method}

본 발명은 반도체 웨이퍼로 사용되는 실리콘 단결정과 같은 각종 취성 재료의 절단에 사용되는 다이어몬드 전착 와이어 쏘우(wire saw)에 관한 것으로서, 더 자세하게는 피아노용 선재와 같은 고강도 선재의 표면에 하지도금으로 구리 또는 황동의 1차 도금을 하고, 그 위에 2차 니켈도금을 함에 있어 니켈 도금조에 일정한 크기의 다이어몬드 지립(砥粒)을 넣고 교반하면서 다이어몬드 지립의 충진율을 적절한 수준으로 균일하게 전착시킨 도금층을 형성시키므로써 다이어몬드 지립의 밀착성이 우수하여 경질 재료의 절단시 다이어몬드 지립의 탈락이 매우 적은, 밀착성이 우수한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우와 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 재료로 사용되는 실리콘, 갈륨-비소 잉고트(ingot) 또는 유리 등의 경질 취성재료의 절단에 사용되는 종래의 공구로는 다이어몬드 입자가 고착된 원판상의 블레이드(blade) 톱, 유리 분말등의 절단용 슬러리를 절단부에 공급하면서 다수 개의 와이어 쏘우를 절단면에 통과시키는 멀티 와이어 쏘우 및 피아노선등의 와이어 표면에 다이어몬드 입자를 전착시킨 다이어몬드 전착 와이어 쏘우 등이 알려져 있다.

반도체 산업의 비약적인 발전에 따라 상기의 경질 취성재료의 절단 가공량이 급증하고 있으며, 절단 정밀도의 확보와 절단면의 결함 발생을 감소시키는 문제가 매우 중요한 사항으로 대두되고 있다.

경질 취성재료를 절단함에 있어 절단면의 정밀성과 결함 발생 등 절단 성능측면에서의 상기 절단 공구를 살펴보면 각각 아래와 같은 특성이 있다.

종래의 취성재료 절단공구의 대표적인 블레이드 톱은 절단 성능면에서는 우수하나 다이어몬드 입자의 마모나 절단중 슬러리에 의한 절단부의 막힘 현상이 빈발하여 가공 능율이 떨어질 뿐아니라 절단면에 크랙의 흔적이 크다는 문제점이 있으며, 최근 실리콘 잉고트의 대형화 경향에 따라 블레이드 톱도 대형화(대직경화) 하고 있고 절단시 재료의 손실을 줄이기 위하여 블레이드 톱의 두께도 점차 박판화 되고 있으나 톱의 대형화에 따른 박판화에는 어쩔 수 없는 한계가 있다.

그리고, 절삭용 슬러리를 사용하는 멀티 와이어 쏘우의 경우에는 대형의 공작물을 1회의 절단작업으로 수십 또는 수백장씩 절단할 수 있는 장점은 있으나, 슬러리 혼탁액에 경유를 혼합하여 사용하기 때문에 피절단재가 오염되기 쉽고 폐슬러리 혼탁액의 처리가 까다로우며 절단 속도가 늦을 뿐아니라 절단면이 거친 문제가있다. 또한, 절단 작업중 와이어 쏘우가 단선되면 실리콘 잉고트의 경우에는 전체가 불량으로 처리되어 경제적으로 손실이 크다.

다이어몬드 전착 와이어는 상기 여타의 취성재료 절단공구에 비하여 피절단재의 절단면에 절단가공 크랙의 흔적을 적게 발생시키며, 절단면의 정밀도 역시 상대적으로 높다는 특성을 가지기 때문에 특히, 실리콘 잉고트등 반도체 재료의 절단용 공구로 널리 사용되고 있는 바, 이러한 종래 다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 대표적인 몇 가지를 살펴보면 다음과 같다.

일본 특허공보 소62-260006호에는 피아노 선재의 표면을 열처리 하여 연질의페라이트(ferrite)조직으로 상변환시킨 후, 그 페라이트 기지에 다이어몬드 입자를 물리적으로 박아 넣은 다이어몬드 와이어 쏘우가 개시되어 있는 바, 이는 와이어 표면에 다이어몬드 압입에 따른 표면흠이 많아 절단 작업중 단선이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

또 다른 종래 다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 하나는 일본 공개특허 공보 평7-96455에는 피아노 선재에 니켈 도금층을 피복하고, 그 위에 불소수지등의 수지층을 다시 피복한 다음 수지층을 일정폭의 나선형태로 제거하여 노출된 니켈 도금층 위에 선택적인 2차 도금층과 함께 다이어몬드 입자를 전착시킨 나선형 다이어몬드 전착 와이어 쏘우가 개시되어 있으나, 이러한 형태의 와이어 쏘우는 수지층을 피복시키고 그것을 다시 나선형태로 연삭·제거하는 등의 작업이 포함됨에따라 와이어 쏘우의 생산 공정이 복잡하여 생산성이 낮고 제조원가가 높아진다는 문제점이 있다.

다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 가장 일반적인 형태로서, 피아노 선재의 표면에 1차 하지 도금을 한 후, 2차 니켈 도금시 다이어몬드의 입자를 함께 전착시킨 와이어 쏘우는 비교적 손쉽게 제작이 가능하고 직경이 큰 피절단물의 절단도 가능한 장점이 있으나, 절단중 와이어 쏘우에서 탈락된 다이어몬드 입자가 섞인 슬러리에 의한 절단부의 막힘 현상이 발생되어 8인치 이상의 잉고트 절단시에는 와이어 쏘우의 단선과 탈락한 다이어몬드 입자에 의한 절단 흔적이 크고 절단면이 거칠게 되는 문제가 있다.

특히, 종래의 다이어몬드 전착 와이어는 크기가 40∼80㎛정도 되는 다이어몬드 지립을 사용하고 있으며 지립의 충진율은 40% 이상으로써 절단 작업시 지립의 탈락이 가장 큰 문제이나 지립의 크기와 충진율에 대한 연구는 없는 실정이다.

따라서, 상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 경질의 취성재료를 절단함에 있어서 절단면의 정밀도와 절단 흔적의 발생 및 슬러리에 의한 절단부의 막힘에 영향을 주는, 다이어몬드 전착 와이어 쏘우에서의 다이어몬드 입자 탈락을 감소시키기 위하여 전착에 사용되는 다이어몬드 입자의 크기와 전착 충진율에 대한 최적의 값을 갖는 다이어몬드 전착 와이어 쏘우 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 목적을 두고 있다.

도 1은 본 발명 방법에 따른 다이어몬드 전착 와이어의 공정도로서,

(가)는 황동도금선을 사용한 경우이고,

(나)는 고강도 선재를 사용한 경우이다.

도 2는 본 발명의 실시예인 다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 절단능을 시험 r결과를 보인 그래프.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

1. 탕조 2. 산세조

3,5,10. 수세조 4. 구리도금조

6,7,8,9. 1번∼4번 니켈 도금조 11. 건조로

본 발명의 상기 목적은, 고강도 피아노 선재의 표면 위에 1차 하지도금으로서 구리 또는 황동도금을 실시하고, 그 도금층 표면 위에 2차 도금인 니켈도금을 함에 있어 일정한 크기로 분류된 다이어몬드 입자를 니켈 도금조에 넣고 교반하면서 적절한 두께의 니켈-다이어몬드 전착층을 형성시키므로써 달성된다.

이때, 1차 도금층의 두께는 1㎛이하 이고, 2차 도금층의 두께는 18∼25㎛ 범위로 하며, 2차 도금층의 다이어몬드 입자 크기와 충진율은 5∼30㎛ 및 5∼30%로 함이 바람직하다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과를 비롯한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 제조 과정은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도1의 (가)와 (나)는 본 발명 방법에 따른 제조 공정도로서, (가)는 황동 도금선을 사용한 경우이고, (나)는 강선을 사용하여 1차 구리도금을 실시한 경우이다.

황동도금선(12)을 사용하는 경우에는, 피아노 선재에 아연도금과 구리도금을 행한 후 열확산에 의하여 1층의 황동층을 형성시킨 황동도금 선재(12)를 다음의 니켈도금 공정에 투입하게 되며, 황동도금 선재(12)는 열탕 탈지를 행하는 탕조(1) →산세조(2) →수세조(3) →1번 니켈 도금조(6) →2번 니켈 도금조(7) →3번 니켈 도금조(8) →4번 니켈 도금조(9) →수세조(10) →건조로(11)를 거쳐 권취되므로써 다이어몬드 전착 와이어 쏘우로 제조된다.

그리고, 피아노 강선과 같은 고강도 선재(13)를 이용하여 그 표면에 구리도금을 하는 경우에는, 탕조(1) →산세조(2) →수세조(3) →구리 도금조(4) →수세조(5) →1번 니켈 도금조(6) →2번 니켈 도금조(7) →3번 니켈 도금조(8) →4번 니켈 도금조(9) →수세조(10) →건조로(11)를 거쳐 다이어몬드 전착 와이어 쏘우로 완성된다.

상기의 두 공정에서 구리 또는 황동 도금층의 두께는 양자 공히 1㎛ 이하로 하는 것이 바람직한데, 이는 도금시 제어하거나 도금후 신선 과정을 통하여 조절될 수도 있으다. 이러한 하지도금은 본 도금층으로서의 니켈 도금층의 강선에 대한 접착력을 높이기 위한 것으로서, 1㎛을 초과하게 되면 오히려 니켈 도금층의 접착력이 떨어지게 된다.

2차 니켈도금의 도금조가 4개로 분리되어 있는 것은 도금조의 길이가 길게 되면 도금욕 속에 침적된 선재의 길이가 길어지게 되고, 그에 따른 선재의 전기 저항때문에 열 발생이 증가하여 선재의 단선을 초래하기 때문이다.

그러나, 니켈 도금조의 갯수를 반드시 4개로 구성하여야만 되는 것은 아니고 각 도금조의 길이, 사용 전류의 세기, 피도금 선재의 선경 및 조성에 따라 2개 내지 6개의 범위 내에서 변경이 가능하다.

그리고, 다이어몬드 지립을 니켈 도금액에 넣고 교반시키면서 니켈도금을 행하므로써 다이어몬드 지립이 전착된 니켈 도금층이 형성되는 것이며, 이때 니켈 도금액에 넣어지는 다이어몬드 지립의 크기는 5∼30㎛으로 하고 충진율을 5∼30%로 제어하는 것은, 지립 크기가 5㎛미만이거나 충진율이 5% 미만이면 절단 성능이 떨어지고, 지립 크기가 30㎛을 초과하거나 충진율이 30%를 초과하면 지립의 탈락이 증가하여 절단면이 거칠어지고 절단 흔적이 많이 남게 되기 때문이다.

상기의 다이어몬드 지립은 4개의 니켈 도금조 모두에 넣는 것이 아니라 1번, 2번, 3번 3개의 니켈 도금조(7)(8)(9)에 넣는 것이고 4번 니켈 도금조(10) 즉, 최종 도금조에는 순수 니켈 전기 도금액만이 들어있다.

이와같이 최종 니켈 도금조에서 니켈-다이어몬드 도금층으로 전착되는 니켈 이온은 다이어몬드와 니켈사이의 계면을 보강해주는 역할을 하므로써 다이어몬드 지립의 니켈 도금층에 대한 접착력을 향상시키게된다.

상기에서 다이어몬드의 충진율이라 함은 다음의 식으로 구할 수 있다.

다이어몬드 지립 충진율(%) =

식1에서, DGS는 다이어몬드 지립의 평균 크기이며, n은 지립의 수이고, A는 도금층의 단면적이다.

본 발명 방법에 의한 실시예로서, 선경이 0.14mm인 강선에 황동도금을 1차 하지도금으로 실시하고, 5∼10㎛ 및 10∼20㎛인 입도 분포를 갖는 두 종류의 다이어몬드 지립을 두 차례에 걸쳐 1,2,3번 3개의 니켈 도금조에 넣고 교반하면서 니켈-다이어몬드 전착도금을 행하면서 4번 니켈 도금조에서는 니켈도금만을 하는 방법으로 2종의 다이어몬드 전착 와이어 쏘우 샘플을 제조하였고, 다이어몬드 지립의 충진율은 5∼30%로 조절하였다.

상기 두 종류의 절단능을 조사한 결과가 도2의 그래프이며, 피절단재의 재질로 알루미나를 선정하였고 쏘우의 접촉압력을 0.2N/mm로 하여 왕복 횟수에 따른 절단능을 시험하였다.

상기 시험에서 쏘우의 왕복 횟수 1200회에서도 다이어몬드 지립의 마모와 탈락이 발견되지 않았으며, 동일 충진율 하에서 지립의 크기가 커짐에 따라 절단능도 향상되는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 다이어몬드 전착 와이어 쏘우는 다이어몬드 지립 크기와 도금 충진율의 적절한 제어와 최종 순수 니켈 도금단계에 의하여 다이어몬드 지립의 접착력을 현저히 향상시킬 수가 있으므로서, 절단 작업시 지립 탈락에 의해 발생하는 절단면의 절단흔적을 최소화할 수 있는 잇점이 있다.

또한, 본 발명의 다이어몬드 전착 와이어 쏘우는 다이어몬드 지립의 탈락이 쉽지 않게 됨에따라 지립의 마모성 역시 향상되어 절단시 슬러리의 발생이 감소하고, 슬러리에 탈락된 지립의 수가 매우 적어 절단부의 막힘현상이 거의 없게 되어 와이어 쏘우의 단선이 없이 대형의 잉고트 절단도 가능한 장점도 가지고 있다.

Claims (9)

1. 강선의 표면에 피복된 니켈 도금층에 다이어몬드 지립이 고착된 와이어 쏘우에 있어서, 고강도 강선의 표면에 두께 1㎛ 이하의 황동 또는 구리 중의 하나로 이루어진 구리계 하지 도금층이 형성되고, 이 하지 도금층 위에 입자 크기가 5∼30㎛인 다이아몬드 지립의 충진율이 5∼30%이며 그 두께가 18∼25㎛인 니켈-다이어몬드 지립 전착층이 형성된 것임을 특징으로 하는 밀착성이 우수한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우.
2. 고강도 강선의 표면에 아연도금과 구리도금을 차례로 실시하는 도금 단계와, 상기 아연 및 구리 도금층을 상호확산에 의하여 두께가 1㎛ 이하인 황동으로 이루어진 하지 도금층으로 변화되도록 하는 열확산 단계와, 하지 도금층이 형성된 강선을 5∼30㎛ 크기의 다이어몬드 지립이 채워져 교반되는 다수 개의 니켈-다이어몬드 도금조를 통과시켜 황동 도금층의 표면에 다이어몬드 지립의 충진율이 5∼30%가 되도록 니켈-다이어몬드 지립 전착층을 형성시키는 단계와, 니켈-다이어몬드 지립 전착층이 형성된 강선을 다이어몬드 지립이 없이 니켈 도금액만으로 이루어진 니켈 도금조로 통과시켜 다이어몬드 지립의 접착력을 강화시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 밀착성이 우수한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 고강도 강선은 피아노선인 것을 특징으로 하는 밀착성이 우수한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 제조방법.
4. 고강도 강선의 표면에 두께 1㎛ 이하의 구리로 이루어진 하지 도금층을 형성시키는 구리도금 단계와, 구리도금된 강선을 5∼30㎛ 크기의 다이어몬드 지립이 채워져 교반되는 다수의 니켈-다이어몬드 도금조를 순차적으로 통과시켜 구리 도금층의 표면에 다이어몬드 지립의 충진율이 5∼30%가 되도록 니켈-다이어몬드 지립 전착층을 형성시키는 단계와, 니켈-다이어몬드 지립 전착층이 형성된 강선을 다이어몬드 지립이 없이 니켈 도금액만으로 이루어진 니켈 도금조로 통과시켜 다이어몬드 지립의 접착력을 강화시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 밀착성이 우수한 다이어몬드 전착 와이어 쏘우의 제조방법.
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