KR100426059B1 - 가공면이 우수한 소우 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼용 단결정 잉고트 등의 경질재료 절단에 사용되는 소우 와이어(Saw Wire)에 관한 것이다.

본 발명의 소우 와이어는, 고탄소 강선의 표면에 소지 금속에 비해 상대적으로 연질인 구리나 주석 또는 황동의 도금층이 형성된 구조로서, 상기 연질 도금층의 표면으로부터 깊이 20㎛까지의 경도값이 중심부 경도값의 1.00∼1.25배임에 기술적 특징있다.

본 발명의 소우 와이어는 최외층 표면부에서부터 특정 깊이까지의 경도값이 중심부의 경도값 보다 일정 범위 만큼 높게 유지되므로써 피절삭체의 절삭면 품질을 현저히 향상시켜 주는 동시에 웨이퍼 절단 수율이 개선되기 때문에, 반도체용 잉고트, 세라믹스 및 초경합금과 같은 경질재료의 절단에 적합하며, 자기헤드용 칩과 같이 초정밀도의 표면 평탄도가 요구되는 초경질 재료의 절단용으로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

가공면이 우수한 소우 와이어{Saw wire making superior slicing surfaces}

본 발명은 브이티알(VTR) 또는 에이티알(ATR)용 자기 헤드칩이나 반도체 웨이퍼용 단결정 잉고트 등과 같은 경질재료의 절단에 사용되는 소우 와이어(saw wire)에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고탄소강으로 이루어진 강선의 표면에 황동 등의 연질 도금층을 형성시키되 최외층 표면부터 특정 깊이까지의 경도값을 중심부의 경도값 보다 일정 범위 이상 높게 유지토록 하여 절삭 단계에서 피절삭체와 소우 와이어 사이의 마찰에 의한 소우 와이어의 변형을 최소화시키므로써 안정적인절삭 조건이 유지되어 우수한 품질의 절삭 가공면을 형성시키는 소우 와이어에 관한 것이다.

일반적으로 소우 와이어는 반도체 웨이퍼용 잉고트나 세라믹을 비롯한 초경합금 등의 절단시 평탄한 절단면을 갖도록 하면서 동시에 여러 매를 절단할 수 있음에 따라 상기와 같은 경질재료의 절단에 널리 사용되고 있다.

도 1은 일반적인 소우 와이어의 단면구조를 보인 것으로, 도시된 바와 같이 소우 와이어(1)는 철이나 철합금으로 이루어진 소재 와이어(1a)의 표면에 구리나 구리합금 도금층(1b)이 피복된 구조를 취하고 있다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 소우 와이어(1)를 포함하는 와이어 소우 장치의 개략 구조도로서, 이에 의거하여 와이어 소우 장치의 구조와 이를 이용한 반도체 잉고트의 절단과정을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 와이어 소우 장치는 와이어 공급릴 보빈(2)과 와이어 권취릴 보빈(3) 사이에 구동모터(4)에 의해 구동되는 구동롤러(5)와 이 구동롤러의 양 외측 상부에 가이드 롤러(6a)(6b)가 서로 평행하게 설치되어 상기 와이어 공급릴 보빈(2)으로부터 공급된 소우 와이어(1)가 상기 구동롤러(5)와 가이드 롤러 (6a)(6b)에 감긴 다음 와이어 권취릴 보빈(3)에 권취되도록 구성되어 있다.

상기와 같은 구조로 이루어진 와이어 소우 장치를 이용한 반도체 잉고트(7)의 절단과정은, 구동모터(4)를 구동시켜 구동롤러(5)와 가이드 롤러(6a)(6b) 사이에 감긴 소우 와이어가(1) 일정한 장력이 유지된 가운데 와이어 공급릴 보빈(2)으로부터 와이어 권취릴 보빈(3)으로 이송되도록 한 가운데 가이드 롤러(6a)(6b)의윗쪽으로부터 서서히 절단대상 반도체 잉고트(7)를 하강시켜 왕복이동하는 소우 와이어(1)에 접하게 함으로써 반도체 잉고트(7)는 여러 장의 웨이퍼로 절단이 이루어지게 된다.

이와 같은 절단과정 중에는 소우 와이어(1)와 반도체 잉고트(7)간의 접촉부로 탄화규소 분말이나 다이아몬드 분말 등의 연삭용 입자와 오일 등이 혼합된 연삭액(abrasive grain slurry)이 공급되어 연삭용 입자와 잉고트 절단면간의 마찰에 의해 잉고트의 절단이 이루어지게 된다.

상기 소우 와이어는 연삭과정 중 작용하게 되는 높은 장력에 견딜수 있도록 경강선재나 피아노 선재와 같이 절단력이 높은 고탄소강 선재가 주로 사용되고 있으며, 최근에는 소우 와이어의 극세물 고강도화의 추세에 따라 타이어 보강재로 사용되는 고품질의 스틸 타이어 코드용 선재가 사용되고 있기도 하다.

그리고, 연삭과정 중 소우 와이어와 피절단체 사이에는 심한 마찰열이 발생되기 때문에 소우 와이어는 내열성과 열전도성이 우수한, 즉 냉각성능이 우수하면서도 내마모성이 뛰어난 재질 특성이 요구되는 바, 이러한 특성을 갖춘 소재 와이어로서는 주로 고탄소 강선이 사용된다.

한편, 강도 특성면을 고려하여 최근에 개발된 아라미드나 다이니마와 같은 초고강도의 인조섬유를 경질재료 연삭용 와이어로 사용하려는 시도가 있었으나, 이러한 인조섬유는 고탄소 강선에 비해 섬유 자체의 표면 경도가 현저히 낮아서 연마용 입자가 오히려 인조섬유 자체를 쉽게 절단시키케 될 뿐 아니라, 마찰열에 대한 내열성 및 열전도성이 현저히 낮아 물성치가 급격히 열화되기 때문에 취성재료의연삭용 와이어로는 적합하지 않은 것으로 알려지고 있는 바, 현재까지는 연삭 효율면에서 고탄소 강선이 가장 유리한 것으로 인식되고 있다.

한편, 소우 와이어에 의해서 절단된 웨이퍼에서 요구되는 품질 특성의 하나로서 절단면의 거칠기와 평탄도(달리 표현하면, 웨이퍼 두께의 균일성)를 나타내는 웹(warp)이 중요하게 작용하는 데, 웹이란 도 3에 도시된 바와같이 기준 평탄면(ss) 상에 웨이퍼(w)가 놓여졌을 때 기준 평탄면의 표면과 웨이퍼 저면 사이의 들뜬 간격(s)으로 정의된다.

특히, 반도체 소자용 기판으로 사용되는 단결정 실리콘 잉고트는 매우 고가이기 때문에 높은 수율을 달성하기 위해서는 절단면의 표면상태가 매우 평활하게 유지되도록 하는 상기 웹의 관리가 필수적이다.

상기 웨이퍼의 웹값에 영향을 미치는 주된 인자로는, 소우 와이어의 품질, 연삭용 입자의 슬러리 상태, 연삭용 입자 크기와 형상, 연삭압력, 연삭속도 등의 연삭 작업조건과, 설비 상태에 따른 홈롤러의 홈 마모에 의한 와이어의 미세한 진동, 불균일한 장력 등을 들 수 있다.

특히, 초정밀도의 표면 정도(精度)가 요구되는 브이티알이나 에이티알 등의 자기 헤드칩 절단에 사용되는 극세선 초고강도 소우 와이어의 경우에는 칩 절단면의 웹값을 최소화할 수 있도록 하는 품질 특성의 구비가 필수적으로 요구된다.

그리고, 소우 와이어를 이용한 피절단체의 절단시 수율을 좌우하는 인자로서 도 4에 도시된 바와 같이 소우 와이어(sw)가 실리콘 잉고트와 같은 피절단체(si)를 파고 들어가면서 생기는 절단홈의 폭(cw)을 나타내는 커프로스(kerfloss)를 들 수있는 바, 커프로스와 수율은 반비례하게 된다.

상기 커프로스의 최소화를 위해서는 소우 와이어의 선경을 가늘게 하여 세선화 또는 극세선화하여야 하고, 이를 위해서는 높은 절단강도를 지니면서 고인성을 나타내는 초고강도의 강선이 요구되기 때문에 최근에는 소우 와이어의 소재가 더욱 더 고탄소화되는 경향을 보이고 있다.

현재 알려지고 있는 강선의 최대 인장강도는 대략 3000 ∼ 3500Mpa 수준으로서, 최근에는 100㎛ 이하의 선경에서 4500Mpa 이상의 인장강도를 나타내는 초고강도의 강선 개발을 목표로 하는 연구가 이루어지고 있는 실정이다.

본 발명은, 고탄소 강선의 표면에 황동 등의 연질 도금층이 피복된 소우 와이어로서 연삭 중 발생하는 열과 소우 와이어에 부여되는 외부 인장장력에 의한 소우 와이어의 변형을 최소화하므로써 웹의 개선이 이루어지도록 한, 초정밀도의 개선된 웹을 갖는 품질이 우수한 가공면을 형성시킬 수 있는 소우 와이어를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도1은 일반적인 소우 와이어에 대한 단면도.

도2는 와이어 소우 장치에 대한 개략 구조도.

도3은 소우 와이어에 의해 절단된 웨이퍼의 웹을 나타내는 개략 단면도.

도4는 소우 와이어에 의해 절단된 웨이퍼의 커프로스를 나타내는 개략 단면도.

본 발명의 상기 목적은, 연질 도금된 소우 와이어의 최외 표층부로부터 특정 깊이까지의 경도값을 중심부의 경도값 보다 일정 범위 만큼 높도록 제어하므로써 달성된다.

즉, 강선의 표면에, 소지 금속에 비하여 상대적으로 연질인 구리나 주석 또는 황동의 도금층을 형성시킨 소우 와이어의 최외 표층부로부터 특정 깊이까지의 경도를 상기와 같이 조절하므로써, 절삭시 피절삭체와 소우 와이어 사이의 마찰로 인한 소우 와이어의 변형을 최소화하여 안정적인 절삭조건을 하에서 우수한 가공면이 얻어질 수 있도록 한 소우 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 소우 와이어는 연질 도금층의 표면으로부터 깊이 20㎛까지의 경도값이 중심부 경도값 보다 1.00∼1.25배 높도록 제어되며, 그 직경은 0.05∼0.20mm, 인장강도는 3000∼6000Mpa이고, 소재로는 0.82∼0.96wt%의 탄소함량을 갖는 고탄소 강선이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명 소우 와이어의 물성치 및 화학 조성이 제한되는 이유는 다음과 같다.

표면 경도값의 기준 깊이를 표면으로부터 20㎛까지로 한정한 것은 이 깊이 정도까지만이 절삭과정에 직접적으로 사용되기 때문이며, 20㎛ 이상 마모되기 전에 소우 와이어를 교체하여야 한다. 그리고, 표면부 경도가 중심부 경도 보다 낮으면 절삭시 마모가 심할 뿐 아니라 절삭 효율이 떨어지고, 1.25배를 초과하게 되면 웹값이 과도하게 상승하기 때문이다.

인장강도와 탄소 함량이 각각 3000Mpa, 0.82wt%에 미치지 못하면 소지 금속의 물성치가 떨어져 내마모성이 떨어지고, 6000Mpa 및 0.96wt%를 초과하게 되면 소지 금속의 취성이 증가하게 되는 문제가 있다.

본 발명자가 상기와 같은 본 발명을 완성하기에 이른 배경과 본 발명의 기술적 특징은 다음과 같다.

본 발명자는 보다 개선된 초정밀도의 웹값을 나타내도록 하는 소우 와이어의 개발을 목표로 하여 다양한 시도를 하던 중에 웹 불량 발생 요인으로서, 절삭작업 중 소우 와이어와 피절삭체 사이의 마찰이 소우 와이어의 변형을 초래함을 발견하였다.

그리고, 상기와 같은 소우 와이어의 변형은 일반적으로 소우 와이어의 직선도, 선경 및 비틀림 변형으로 구분되며, 이러한 변형은 소우 와이어의 표면부와 중심부 사이의 기계적 물성치, 특히 경도값의 편차를 일정한 범위 내로 유지하므로써 최소화할 수 있다는 것을 인식할 수 있었다.

즉, 절삭가공 중 와이어와 피절삭체 사이의 접촉면에서 발생하게 되는 마찰열과 외부 응력에 기인하여 소우 와이어에 부여되는 변형력에 의하여 소우 와이어의 중심부와 표면부에 초래되는 각 변형 정도의 차이는, 소우 와이어의 표면부와 중심부 사이의 경도값 편차가 증가할 수록 커지게 되어 소우 와이어의 직선도를 더욱 떨어뜨리게 될 뿐 아니라, 비틀림까지 발생시키게 되어 피절삭체의 절단 가공면이 매끄럽지 못하고 조악하게 되는 경향이 증가하게 된다.

그리고, 소우 와이어의 표면부는, 절삭작업 중 피절삭체와의 사이에서 발생하는 마찰에 견딜 수 있는 충분한 내마모성을 보유하여야 하기 때문에 소우 와이어 표면부는 일정 수준 이상의 경도값을 가져야 하지만, 이 경도값이 과다하게 상승하게 되면 소우 와이어가 취성을 갖게 되어 쉽게 부러지는 경향이 증가하게 되는 문제가 있다.

일반적으로 소우 와이어의 표면부 경도는 500∼1000Hv 정도이며, 그 중심부는 상기 표면부 보다 낮은 경도값을 갖게 되는데, 이는 소우 와이어의 제조 공정 중 인발과정에서 와이어의 표면부 보다 중심부가 변형을 적게 받아 표면부에 비하여 가공경화량이 부족하기 때문이다.

따라서, 인발과정에서의 다양한 공정 조건들을 제어하여 소우 와이어의 표면부와 중심부 사이의 경도값 편차를 조절할 수 있는 방법을 연구하였으며, 그 구체적인 방법으로서 인발 다이스의 어프로치 각도와 단위 감면율을 적절히 조합함과 동시에 인발시 와이어의 온도를 조절하였다.

상기의 연구 과정을 통하여 소우 와이어의 최외층 표면으로부터 깊이 20㎛까지의 경도값이 중심부 경도값의 1.00∼1.25배일 때, 절삭작업 중 발생되는 소우 와이어의 변형이 최소화 되고 피절삭체의 웹값이 가장 우수한 것으로 나타났다.

본 발명 와이어 소우에 관한 실시예는 다음과 같다.

먼저, 와이어 소우의 모재로서 선경 5.5mm의 로드를 냉간 인발 가공하여 0.96mm의 중간 와이어를 제조하고, 이를 페이턴팅(patenting) 열처리하여 신선성이 우수한 미세 펄라이트 조직을 얻은 후 와이어 1kg당 8g의 도금 부착량을 갖도록 와이어의 표면에 황동 도금을 실시한 후, 황동 도금된 와이어를 최종 인발공정에서 다이스 어프로치 각도와 단위 감면율을 변화시키면서 와이어 표면부와 중심부 사이의 경도값 편차가 서로 다른 선경 0.14mm의 여러 종류 소우 와이어들을 마련하였다.

상기 소어 와이어들을 이용하여 소우 머신에서 8인치 직경의 실리콘 잉고트를 절단하였으며, 이때 각 소우 와이어에 걸리는 연삭 장력은 대략 2.3Kg으로 하였고, 연마용 입자로는 SiC를 사용하였다.

상기 각 소우 와이어별 표면부와 중심부의 경도값 및 각 소우 와이어에 의해 절단된 웨이퍼의 웹값은 다음의 표 1과 같다.

구 분	선 경(mm)	인장강도(Mpa)	중심부 경도(Hv)	표면부 경도(Hv)	경도비(표면/중심)	웹(㎛)
비교예1	0.14	3621	721	916	1.27	20
비교예2	0.14	3630	715	922	1.29	25
비교예3	0.14	3618	709	908	1.28	20
비교예4	0.14	3631	745	969	1.30	20
비교예5	0.14	3629	738	945	1.28	17
실시예1	0.14	3602	718	732	1.02	12
실시예2	0.14	3598	702	856	1.22	13
실시예3	0.14	3611	716	752	1.05	7
실시예4	0.14	3602	707	785	1.11	9
실시예5	0.14	3610	713	777	1.09	9
실시예6	0.14	3587	714	807	1.13	11
실시예7	0.14	3604	694	770	1.11	11
실시예8	0.14	3608	706	748	1.06	8

상기 표 1로부터 소우 와이어의 표면부 경도값이 중심부 경도값의 1.00∼1.25배일 경우에 절삭면의 웹값이 현격히 향상됨을 알 수가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 소우 와이어는 최외층 표면부에서부터 특정 깊이까지의 경도값이 중심부의 경도값 보다 일정 범위 만큼 높게 유지되므로써 피절삭체의 절삭면 품질을 현저히 향상시켜 주는 동시에 웨이퍼 절단 수율을개선시켜 주는 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 소우 와이어는 반도체용 잉고트, 세라믹스 및 초경합금과 같은 경질재료의 절단에 적합하며, 특히 브이티알이나 에이티알 등의 자기헤드용 칩과 같이 초징밀도의 표면 평탄도가 요구되는 초경질 재료의 절단용으로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 고탄소 강선의 표면에 소지 금속에 비하여 상대적으로 연질인 구리나 주석 또는 황동의 도금층이 형성된 소우 와이어에 있어서, 상기 연질 도금층의 표면으로부터 깊이 20㎛까지의 경도값이 중심부 경도값의 1.00∼1.25배인 것임을 특징으로 하는 가공면이 우수한 소우 와이어.
2. 제1항에 있어서, 상기 소우 와이어는 그 선경이 0.05∼0.20mm 이고, 인장강도는 3000 ∼ 6000Mpa 인 것을 특징으로 하는 가공면이 우수한 소우 와이어.
3. 제 1항에 있어서, 상기 소우 와이어의 모재는 0.82%∼0.96wt%의 탄소 함량비를 갖는 고탄소강으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 가공면이 우수한 소우 와이어.