KR101496391B1 - 공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 슬라이싱 장치 및 슬라이싱 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 슬라이싱 장치 및 방법이 제공된다. 상기 슬라이싱 방법은 와이어 소오의 공급 디바이스를 이용하여, 공작물의 축이 와이어 소오의 와이어 안내 롤의 축과 평행하게 공작물을 유지하는 단계; 와이어 소오의 공급 디바이스로 공작물을, 와이어 소오의 웹을 상부로부터 수직으로 통과하도록 이동시키는 단계로서, 상기 와이어 소오의 웹은 서로 평행하게 한 면에서 연장되는 다수의 와이어 섹션으로 형성되는 것인 단계; 와이어 섹션에 연마재로서 캐리어액 내의 경질 물질로 이루어진 슬러리를 공급하는 동안, 회전 방향이 연속적으로 변하는 와이어 안내 롤의 회전의 결과로서 와이어 섹션이 공작물에 대해 상대 이동하는 단계로서, 상기 상대 이동은 와이어 섹션을 진입측에서부터 공작물을 관통하여 출구측으로 안내하는 것인 단계; 및 상기 와이어 소어의 웹을 통과하는 공작물의 이동 중에 생성되는 슬라이싱 갭으로 측부 하방으로부터 냉각제를 분사하는 단계로서, 상기 냉각제는 와이어 소어의 웹 아래에서 와이어 안내 롤의 축과 평행하게 배치되는 노즐을 통해 슬라이싱 갭으로 분사되고, 상기 냉각제는 와이어 섹션의 진입측 반대쪽에 위치하는 노즐을 통해서만 슬라이싱 갭으로 분사되는 것인 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 와이어 이동 방향이 교호하는 와이어 슬라이싱 랩핑 방법으로 공작물로부터 다수의 박편(薄片), 구체적으로는 결정으로 이루어진 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 슬라이싱 장치 및 슬라이싱 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼는, 예컨대 원소 반도체(실리콘, 게르마늄), 화합물 반도체(예컨대 알루미늄, 갈륨 또는 인듐과 같은 주기율표의 3족 원소 및 질소, 인 또는 비소와 같은 주기율표의 5족 원소로 이루어짐) 또는 이들의 화합물(예컨대, Si1 - xGex, 0 < x < 1)과 같은 반도체 재료로 이루어진 박편이다. 반도체 웨이퍼는 특히 전자부품에 대한 기본 재료로서 요구되며, 평탄도, 청정도 및 결함의 결핍에 관하여 엄격한 요건을 충족해야만 한다.
다른 용례에 대해서 다른 재료로 이루어진 평탄한 박편이 요구되는데, 예컨대 유리 박편은 자기 메모리 디스크 제작을 위한 기판으로서 요구되거나, 사파이어로 이루어진 박편은 광전자부품 제작을 위한 지지체로서 요구된다.
반도체 재료 또는 어떠한 다른 재료로 이루어진 박편은 각각의 재료로 이루어진 로드로부터 슬라이싱된다. 구체적으로, 슬라이싱 랩핑과 같은 칩 제거 기계 가공법이 박편을 슬라이싱하는 데 적합하다. 칩 제거, 즉 칩핑은 DIN 8580에 따라, 과량의 재료를 칩 형태로 제거하는 것에 의해 재료를 소망하는 형태로 형성하는 기계 가공법을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 이 경우, 칩이라는 용어는 공작물로부터 떨어져나온 파티클을 나타낸다.
DIN 8589에 따르면, 랩핑은 연마재로서 액체 또는 페이스트에 분포된 비고정 입자(랩핑 슬러리)를 이용하는 칩핑이며, 상기 랩핑 슬러리는 통상적인 형상 지지 카운터피스(랩핑 툴) 상에서 안내되고, 이때 개별 입자의 절삭 경로는 가능한 한 무방향성이다. 재료 제거는, 랩핑 입자의 침투 위치에 있어서의 미세 균열의 형성 및 소형 재료 파티클의 스폴링(spalling)을 통해 재료 결합의 취성-부식성 분리에 의해 실시된다. 랩핑은 공작물, 랩핑 입자 및 랩핑 툴 간의 3개 개체 상호 작용에 기초한다. 랩핑은, 툴 캐리어(랩핑 디스크, 랩핑 와이어)가, 칩핑 방식으로 재료와 맞물리게 되는 경질 물질을 포함하지 않는다는 사실을 특징으로 한다.
다이아몬드, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 질화규소, 산화지르코늄, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화크롬, 질화티탄, 탄화텅스텐, 탄화티탄, 탄화바나듐 및 다양한 다른 물질, 및 이들의 혼합물로 이루어진 입자가 슬라이싱 랩핑 동안에 공급되는 비고정 랩핑 물질로서 사용된다.
다이아몬드, 탄화규소, 산화알루미늄, 특히 탄화규소는 반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 경우에 랩핑 물질로서 중요하다.
단일 슬라이싱 랩핑의 경우에는 각 절단에 대하여 공작물로부터 정확히 하나의 박편이 슬라이싱되고, 멀티플 슬라이싱 랩핑의 경우에는 각 절단에 대하여 다수의 박편이 동시 슬라이싱된다. 멀티플 슬라이싱 랩핑은, 롤을 통해 다중 전환되는 와이어를 사용하여 실시될 수 있고, 이에 따라 와이어가 공작물과 다중으로 맞물리게 된다. 따라서, 이것은 싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑(single-wire multiple slicing laping)이라고 칭한다.
대안으로서, 하프의 스트링과 유사한 프레임에 고정식으로 포함되는 다수의 개별 와이어가 공작물을 통과하는 방법이 알려져 있다. 따라서, 이것은 이에 상응하게 멀티와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑(multi-wire multiple slicing lapping)이라고 칭한다. 본 발명은 일반적으로, 칩핑 방식으로 기계 가공 가능한 임의의 재료로 이루어진 임의의 형상의 공작물로부터 다수의 박편을 슬라이싱하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 구체적으로는 유리, 사파이어 또는 반도체 재료로 이루어진 사각형, 육각형 또는 팔각형의 기저면을 갖는 각주형 형상 또는 원통의 공작물로부터 다수의 박편을 슬라이싱하는 것에 관한 것이다. 싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑은 아래에서 보다 완벽하게 설명된다. 이것은 또한 축약된 명칭으로 슬러리 와이어 소잉(Slurry Multi-Wire Slicing; SWMS)이라고도 한다.
싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑("슬러리 와이어 소잉")을 위한 장치는 필수적인 장치 피쳐로서 와이어, 수평으로 서로 평행하게 배치된 적어도 2개의 와이어 안내 롤, 풀기 및 감기 스풀, 와이어를 와이어의 종방향으로 예인장시키는 예인장 장치, 공작물을 와이어 안내 롤의 축에 수직하게 축에 의해 확장되는 평면을 향해 공급할 수 있는 공급 장치 및 캐리어액 내의 비고정 경질 물질로 이루어진 슬러리 형태인 연마재를 도포하는 도포 장치를 포함한다. 와이어 안내 롤은 원통형이며, 그 종축을 중심으로 회전 가능하게 장착된다. 와이어 안내 롤의 측면에는 홈이 축을 중심으로 동심으로, 그리고 서로 큰 등간격으로 연장된다.
슬러리 와이어 소잉의 경우, 와이어는 인장력을 받는 상태로 와이어 안내 롤을 통해 다중 나선형으로 홈에 의해 안내되고, 이에 따라 개별 와이어 섹션들이 평행한 방식으로 배치되게 되고, 웹을 형성한다. 동일한 방향으로 와이어 안내 롤을 회전시킴으로써, 와이어가 풀기 스풀로부터 풀려 감기 스풀에 감긴다. 이 경우, 웹의 와이어 섹션들은 각각 와이어의 종방향으로 서로 평행하게 이동한다. 설명을 간략화하기 위해, 이후에서 공작물은 반도체 재료로 이루어진 원통형 로드(반도체 로드)인 것으로 가정한다. 상기 반도체 로드는 그 측면에서 희생 재료로 이루어진, 예컨대 유리 또는 흑연으로 이루어진, 축방향으로 연장되는 스트립(소잉 스트립)에 접착식으로 결합되고, 공작물의 축이 공급 장치에 있는 와이어 안내 롤의 축과 평행하도록 스트립에 의해 클램핑된다.
반도체 로드를 소잉 웹의 수직선과 평행하게 소정 웹을 향해 저속으로 공급하는 것에 의해, 소잉 스트립의 반대측에 배치된 그 측면 섹션에 의해 공작물이 소잉 웹과 접촉하게 되며, 툴(소잉 웹)과 공작물 사이에서 와이어의 횡방향으로 힘이 생성된다. 장치를 통해 이동되는 소잉 와이어에 의한 공작물과 웹의 상대 운동으로 인해, 압력이 가해지는 상태로 연마재를 첨가하여 재료 제거가 실시된다. 반도체 로드의 연속적인 추가의 공급에 의해 와이어의 횡방향 인장력을 유지함으로써, 와이어 웹은 공작물의 전체 단면을 통과하고, 다수의 박편이 동시에 얻어진다.
싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑은, 소잉 웹을 이루는 와이어 섹션들의 이동 방향이 전체 절단에 걸쳐 일정하게 하여, 또는 이동 방향을 반전시켜 실시될 수 있다. 이 경우, 와이어 방향을 연속적으로 반전시켜 절단을 행하는 것이 특히 중요한데, 그 이유는 달성되는 평탄도 및 얻어지는 박편의 정면/후면 평행도에 대한 고유한 단점이 방향의 반전에 의해 회피되기 때문이다. 와이어 섹션들의 진입측과 와이어 섹션들의 출구측 간의 비대칭도는 방향 반전에 의해 상쇄될 수 있으며, 이에 따라 일부 보상되고, 와이어의 소비가 방향 반전에 의해 저감될 수 있다.
필그림 단계 방법("필그림 단계 모션", "와이어 왕복 운동")에 상응하게 이루어지는 와이어의 방향 반전은 제1 와이어 종방향으로 제1 길이만큼의 와이어의 제1 이동 및 제1 와이어 종방향과 정반대되는 제2 방향으로 제2 길이만큼의 와이어의 제2 이동을 포함하며, 여기서 제2 길이는 제1 길이보다 작게 선택된다. 각각의 필그램 단계에 있어서, 제1 길이와 제2 길이 모두의 합에 상응하는 와이어 길이 전체가 공작물을 통과하는 한편, 이 경우 공작물과 맞물려 절단을 행하게 되는 와이어 섹션은 제1 길이와 제2 길이의 차이에 상응하는 크기만큼만 단지 풀기 스풀에서 감기 스풀을 향해 더 이동한다. 필그림 단계 방법에서는, 이에 따라 제1 길이와 제2 길이의 차에 대한 제1 길이와 제2 길이의 합의 비율로 다중 와이어가 이용된다.
공작물의 전체 단면을 통과한 후, 와이어 웹은 공작물이 접착식으로 결합된 소잉 스트립에 도달한다. 추가의 공급은 중단되고, 이제 다중 절단된 공작물이 공급 방향의 반전에 의해 소잉 웹으로부터 다시 인출된다. 이제, 공작물은 다수의 박편으로 분리되었고, 이들 다수의 박편은 그 원주의 일부에 의해 반부 절단 소잉 스트립에 등간격으로 서로 평행하게, 그리고 공작물 축에 수직하게 부착된다. 접착제 결합의 화학적, 열적 또는 기계적 해제에 의해, 박편들이 분리되어 어플리케이션에 따른 추가의 후속 공정으로 공급된다.
반도체 웨이퍼를 슬라이싱하는 데 적합한 슬러리 와이어 소잉 및 장치는, 예컨대 EP 0 798 091 A2에 설명되어 있다.
와이어 슬라이싱 랩핑에 의해 달성 가능한 슬라이싱된 박편의 평탄도는 여러 작용에 의해 손상된다. 이들 작용은 와이어의 운동학, 소잉 갭에의 연마재의 공급 및 분포, 와이어의 마모 및 소잉 입자와 관련된 작용을 포함한다. 열처리가 절단 결과에 매우 큰 영향을 미친다. DE 101 22 628로부터 공작물과 와이어 섹션들 사이의 축방향 상대 운동을 일으키는 칩핑 작업 및 마찰 공정이 공작물로의 열입력을 유발하는 것이 알려져 있다. 원통형 공작물에서, 소잉 와이어가 공작물과 맞물리는 길이는 절단 진행에 따라 변한다. 그 결과, 열입력과, 이에 따른 공작물과 와이어 섹션들 사이의 축방향 상대 운동은 시간에 따라 저속으로(준정적으로) 변한다. 공작물 안으로 절단할 때, 그리고 공작물 안에서 밖으로 절단할 때, 맞물림 길이에 있어서 급작스러운 변화가 존재하며, 와이어 황방향 인장력이 일정하게 주어지는 경우에 발생하는 절단 속도는 매우 높다. 이에 따라, 공작물 안으로, 그리고 공작물 안에서 밖으로 절단하는 동안에 공작물과 웹 사이에 매우 큰 축방향 상대 변위가 발생하고, 그 결과 소잉 절단의 박편 모두가 이상적인 소잉면으로부터 실질적으로 동일한 방향으로 동일한 정도로 만곡된 평탄도 편차를 얻는다. 소잉인 파형(sawing-in undulation) 및/또는 소잉아웃 파형(sawing-out undulation)이라고 칭하는 이러한 평탄도 편차는 매우 유해한데, 그 이유는 이러한 파형은 긴 파장(수 센티미터)를 갖고 이 경우에 단지 적은 양의 박편의 정면 및 후면의 평행도(두께 균일성)를 악화시키기 때문이다. 반도체 웨이퍼는 수 센티미터 범위(또는 그 이상)로 매우 탄력적인 거동을 나타내기 때문에, 소잉인 파형 및/또는 소잉아웃 파형을 제거할 수 없거나 또는 후속하는 공정 단계에 의해 달성되는 재료 제거에 의해 부적절하게만 제거할 수 있다.
이와 같은 파형 박판은 요구사항이 많은 용례에 대해서 부적합하다. 대형 공작물을 박편으로 슬라이싱 랩핑하는 경우, 특히 매우 큰 공작물을 박편으로 슬라이싱 랩핑하는 경우, 특히 열에 의해 영향을 받는 이러한 바람직하지 않은 결함이 나타난다. 직경이 큰 공작물은, 관성 모멘트가 최소인 주축을 따른 단면이 투영된 면적 동일원이 300 mm 이상의 직경을 갖는 것이고, 직경이 매우 큰 공작물은 450 mm 이상에 상당하는 직경을 갖는 것이다.
JP 10180750에는, 상부로부터 소잉 웹으로 분사함으로써 소잉 갭에 공급되는 연마재의 온도가 연마재의 온도 조절 및 온도 측정에 관한 폐쇄 제어 루프에 맞춰지고, 이에 따라 일시적 가변 가열이 상쇄되는 방법이 설명되어 있다.
DE 101 22 628 B4에는 로드의 측면에 있어서 와이어 웹 상부에 배치되는 전체 부분이, 시간 및 절단 진행에 좌우되는 방식으로 온도 조절되는 냉각제로 플러싱되며, 이에 따라 로드가 온도 조절되는 방법이 설명되어 있다.
EP 0 798 091 A2에는, 공급되는 연마재의 체적 유량, 점성 및 소잉 웹으로의 로드의 공급 속도가 절단 진행에 좌우되는 방식으로 변경되는 방법이 설명되어 있다.
마지막으로, US 7,959,491 B2에는, 공급되는 슬라이싱 랩핑제의 온도가 로드에서의 웹의 순간 위치에 좌우되는 방식으로 소잉인에서부터 소잉아웃까지의 전체 절단 진행에 걸쳐 연속하여 꾸준히 증가하고, 이에 따라 열적 효과의 부분적인 보상이 로드에서의 웹 위치에 따른 방식으로 수행되는 방법이 설명되어 있다.
로드에 숨겨진 슬라이싱 갭은, 공작물이 적어도 소정 스펙트럼 레인지에서 맑거나 투명한 경우에 관찰될 수 있다. 열화상 카메라에 의한 적외선 스펙트럼 레인지에서 투명한 실리콘으로 이루어진 로드 상의 슬라이싱 구역의 열적 관찰은 슬라이싱 갭 내로의 그리고 슬라이싱 갭 길이에 걸쳐 열입력이 균일하게 실시되지 않음을 보여준다. 특히, 슬라이싱 갭에서의 온도는 와이어 진입측으로부터 와이어 출구측까지의 맞물림 길이에 따라 증가하는 것으로 관찰되었다. 최고온점은 와이어가 빠져나가기 직전에 도달되며, 바로 와이어 출구측 상의 표면에서는, 아마도 이 최고온점에 근접한 로드의 표면에서의 열방출 및 공기 대류를 통해 온도가 다시 다소 감소된다. 이에 따라, 와이어 맞물림을 따른 가열은 매우 복잡한 방식으로 발생한다.
실리콘으로 이루어진 공작물의 슬라이싱 갭에서는, 와이어 맞물림 길이에 걸쳐 20 ℃ 가 넘는 온도 상승이 관찰되며, 아직 절단되지 않은 대부분의 주위 실리콘 볼륨에서는 대략 5 ℃의 온도 상승이 관찰된다. 슬라이싱 갭에 걸친 온도 구배는, 바람직하게는 필그림 단계 방법으로 실시되는 슬라이싱 랩핑 동안에 와이어 이동 방향이 반전되는 경우에, 짧은 기간(수 초)으로 반전된다. 이러한 역동적인 온도 변동은 상당하며, 필그림 단계의 빈도에 따라 짧은 기간 동안 발생하며, 절단 과정에 걸쳐 단지 저속으로 변하는 평균 공작물 온도를 훨씬 초과한다.
기지의 방법들은 단지 이러한 저속 준정적 온도 변화만을 보상한다. 기지의 방법들은 급속하고 훨씬 높은 온도 변화, 이러한 온도 변화의 영향, 특히 결과적인 슬라이싱된 박면의 파형을 보상하기에는 부적절하다.
본 발명의 목적은, 공작물의 슬라이싱 랩핑 동안의 급속 고온 온도 변동을 가능한 한 보상하고, 이상적인 절단면으로부터 실제 절단면의 편차를 가능한 한 회피할 수 있는, 공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 슬라이싱 장치 및 슬라이싱방법을 특정하고자 하는 것이다.
연마재(슬러리)는 변위, 낙수, 소비로 인해 와이어 진입측에서부터 와이어 출구측까지의 맞물림 길이에 걸쳐 슬라이싱 갭에서 고갈되고, 이 슬라이싱 갭에서 불균일하게 분배된다. 입자 마모 및 입자 균열로 인해 와이어 맞물림 길이에 걸쳐 연마재의 농도 및 조성이 변한다. 특히, 와이어 진입측으로부터 와이어 출구측까지의 연마재의 양이 감소함으로써 슬라이싱 갭의 폭이 감소하고, 이에 따라 슬라이싱된 박편의 두께가 와이어의 이동 방향으로 웨지 형상 방식으로 증가한다.
본 발명의 목적은 또한, 와이어 맞물림 길이에 걸친 슬라이싱 갭에서의 연마재의 고갈을 상쇄하고, 이에 따라 두께가 와이어 이동 방향으로 증가하는 박편이 생성되지 않게 하는 장치 및 방법을 특정하는 데 있다.
달성
상기 목적은 공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 슬라이싱 장치로서, 와이어, 수평으로 서로 평행하게 배치되고 각각의 축을 중심으로 회전 가능하게 장착되며 홈을 갖는 적어도 2개의 원통형 와이어 안내 롤, 및 공급 디바이스를 포함하는 슬라이싱 장치에 있어서, 서로 평행하게 한 면에서 연장되는 다수의 와이어 섹션으로 이루어진 수평 웹이 와이어 안내 롤들 사이에 마련되도록 와이어가 와이어 안내 롤 둘레의 홈에서 안내되고, 와이어 안내 롤 위에 배치되고 와이어 섹션에 연마재를 분사하는 제1 노즐과, 수평 웹 아래에서 와이어 안내 롤의 축에 평행하게 배치되고 공작물의 슬라이싱 갭으로 측부 하방으로부터 냉각제를 분사하는 제2 노즐을 더 포함하는 슬라이싱 장치에 의해 달성된다.
상기 목적은 또한, 공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 방법으로서, 와이어 소오의 공급 디바이스를 이용하여, 공작물의 축이 와이어 소오의 와이어 안내 롤의 축과 평행하게 공작물을 유지하는 단계; 공급 디바이스로 공작물을, 와이어 소오의 웹을 상부로부터 수직으로 통과하도록 이동시키는 단계로서, 상기 웹은 서로 평행하게 한 면에서 연장되는 다수의 와이어 섹션으로 형성되는 것인 단계; 와이어 섹션에 연마재로서 캐리어액 내의 경질 물질로 이루어진 슬러리를 공급하는 동안, 회전 방향이 연속적으로 변하는 와이어 안내 롤의 회전의 결과로서 와이어 섹션이 공작물에 대해 상대 이동하는 단계로서, 상기 상대 이동은 와이어 섹션을 진입측에서부터 공작물을 관통하여 출구측으로 안내하는 것인 단계; 및 상기 웹을 통과하는 공작물의 이동 중에 생성되는 슬라이싱 갭으로 측부 하방으로부터 냉각제를 분사하는 단계로서, 상기 냉각제는 웹 아래에서 와이어 안내 롤의 축과 평행하게 배치되는 노즐을 통해 슬라이싱 갭으로 분사되며, 상기 냉각제는 단지 와이어 섹션의 진입측 반대쪽에 위치하는 노즐을 통해서만 슬라이싱 갭으로 분사되는 것인 단계를 포함하는 슬라이싱 방법에 의해 달성된다.
캐리어액 내의 경질 물질로 이루어진 추가의 슬러리가 냉각제로서 사용될 수 있다.
사용되는 연마재와 사용되는 냉각제는 온도를 제외하고 동일한 특성을 가질 수 있다.
사용되는 연마재와 사용되는 냉각제는 동일한 온도를 가질 수 있다. 사용되는 연마재와 사용되는 냉각제는 상이한 온도를 가질 수 있다.
냉각제의 온도는 웹을 통과하는 공작물의 이동 동안에 변할 수 있다. 냉각제의 온도는 공작물에 와이어 섹션이 맞물리는 와이어 맞물림 길이에 좌우되는 방식으로 변할 수 있다. 냉각제의 온도는, 와이어 맞물림 길이가 증가할 때에는 상승할 수 있고, 와이어 맞물림 길이가 감소할 때에는 저하할 수 있다.
분사되는 냉각제의 체적 유량은 웹을 통과하는 공작물의 이동 동안에 일정하게 유지될 수 있다. 분사되는 냉각제의 체적 유량은 웹을 통과하는 공작물의 이동 동안에 변할 수 있다. 분사되는 냉각제의 체적 유량은 공작물에 와이어 섹션이 맞물리는 와이어 맞물림 길이에 좌우되는 방식으로 변할 수 있다. 분사되는 체적 유량은 와이어 맞물림 길이가 증가할 때에는 증대될 수 있고, 와이어 맞물림 길이가 감소할 때에는 저감될 수 있다.
냉각제의 온도 및 체적 유량은 상기한 조건에 따라 동시에 변할 수 있다.
공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 방법은 바람직하게는, 반도체 웨이퍼 제작, 보다 바람직하게는 직경이 300 mm 이상인 실리콘으로 이루어진 반도체 웨이퍼 제작, 예컨대 직경이 450 mm인 실리콘으로 이루어진 웨이퍼 제작에 사용된다.
본 발명에 따르면, 공작물의 슬라이싱 랩핑 동안의 급속 고온 온도 변동을 가능한 한 보상하고, 이상적인 절단면으로부터 실제 절단면의 편차를 가능한 한 회피할 수 있는, 공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 슬라이싱 장치 및 슬라이싱 방법이 제공된다.
도 1은 싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 그라인딩 또는 싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑 원리에 따라 로드로부터 박편을 슬라이싱하는 슬라이싱 장치를 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 따른 슬라이싱 장치가 사용될 때, 소잉 와이어가 좌측에서 우측으로 이동하는 경우에 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 분포와 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 3은 도 1에 따른 슬라이싱 장치가 사용될 때, 소잉 와이어가 우측에서 좌측으로 이동하는 경우에 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 온도 분포와 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 4는 도 1에 따른 슬라이싱 장치가 사용될 때, 소잉 와이어가 좌측에서 우측으로 이동하는 경우에 와이어 섹션 웹이 로드를 절단하는 순간에 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 분포 및 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 5는 소잉 와이어가 좌측에서 우측으로 이동하는 경우에 와이어 섹션 웹 아래에 배치된 노즐에 의해 연마재가 좌측으로부터 와이어 섹션 웹으로 분사되고, 냉각제가 우측으로부터 슬라이싱 갭으로 분사될 때, 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재 및 냉각제의 분포와 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 6은 소잉 와이어가 우측에서 좌측으로 이동하는 경우에 와이어 섹션 웹 아래에 배치된 노즐에 의해 연마재가 우측으로부터 와이어 섹션 웹으로 분사되고, 냉각제가 좌측으로부터 슬라이싱 갭으로 분사될 때, 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재 및 냉각제의 분포와 온도 프로파일의 분포를 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 따른 슬라이싱 장치가 사용될 때, 소잉 와이어가 좌측에서 우측으로 이동하는 경우에 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 분포와 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 3은 도 1에 따른 슬라이싱 장치가 사용될 때, 소잉 와이어가 우측에서 좌측으로 이동하는 경우에 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 온도 분포와 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 4는 도 1에 따른 슬라이싱 장치가 사용될 때, 소잉 와이어가 좌측에서 우측으로 이동하는 경우에 와이어 섹션 웹이 로드를 절단하는 순간에 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 분포 및 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 5는 소잉 와이어가 좌측에서 우측으로 이동하는 경우에 와이어 섹션 웹 아래에 배치된 노즐에 의해 연마재가 좌측으로부터 와이어 섹션 웹으로 분사되고, 냉각제가 우측으로부터 슬라이싱 갭으로 분사될 때, 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재 및 냉각제의 분포와 온도 프로파일을 보여주는 도면.
도 6은 소잉 와이어가 우측에서 좌측으로 이동하는 경우에 와이어 섹션 웹 아래에 배치된 노즐에 의해 연마재가 우측으로부터 와이어 섹션 웹으로 분사되고, 냉각제가 좌측으로부터 슬라이싱 갭으로 분사될 때, 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재 및 냉각제의 분포와 온도 프로파일의 분포를 보여주는 도면.
아래에서는 도면을 참고로 하여 본 발명을 상술한다.
도 1은, 와이어 안내 롤의 상부측에서 연장되는 와이어 섹션들("상부 와이어 스트랜드")이 평행하게 연장되고 인접한 와이어 섹션(A)들 사이의 거리가 일정한 통상의 웹(11)을 형성하도록, 좌측 와이어 안내 롤(3) 및 우측 와이어 안내 롤(4) 둘레에 나선형으로 다중 권취되어 홈(2)에 의해 안내되는 소잉 와이어(1)를 포함하는, 싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑을 위한 장치의 필수 요소를 보여준다. 공작물(15)은 접착제(17)에 의해 접착식으로 소잉 스트립(16)에 결합된다. 소잉 스트립(16)은, 공작물을 화살표 방향(18)을 따라 웹(11)과 수직하게 이동시켜, 공작물과 웹이 맞물리도록 하는 공급 디바이스를 나타낸다. 또한, 상기 장치는, 연마재(슬러리)를 긴 좌측 제트(22) 및 긴 우측 제트(23) 형태로 좌측 와이어 안내 롤(3) 및 우측 와이어 안내 롤(4)로, 그리고 이에 따라 웹(11)으로 공급하는 좌측 노즐 코움(comb)(19) 및 우측 노즐 코움(20)을 포함한다.
와이어 안내 롤은 축(5, 6)을 중심으로 회전 가능하게 장착된다. 이들 축과, 도시한 예에서 원통형 로드인 공작물(15)의 축(14)은 서로 평행하게 배향되고, 밑변이 와이어 안내 롤들의 축들을 연결하는 이등변 삼각형의 모서리를 통과한다. 슬라이싱 과정을 개시하기 위해, 하나의 와이어 안내 롤, 예컨대 좌측 와이어 안내 롤(3)이 회전(7)하도록 구동된다["독립(Master)"]. 나머지 와이어 안내 롤["종속(Slave)"], 본 예에서 우측 와이어 안내 롤(4)이 와이어(1)에 의해 당겨지는 방식으로, 즉 동일한 방향으로 회전 방향(8)으로 부수적으로 회전한다. 도 1에 도시한 예에서, 와이어(1)는 좌측으로부터 화살표 방향(9)으로 공급되고, 와이어 안내 롤에 의해 다중으로 상부 웹(11)에 대해서 그리고 결과적으로 하부 웹(12)에 대해서 반대 방향으로 다수 교호하여 연장되어, 최종적으로 장치로부터 우측으로 화살표 방향(10)으로 연장된다. 공작물(15)은, 도면에서 소잉 스트립(16)으로 나타나는 공급 디바이스에 의해 수직으로 방향(18)으로 웹(11)을 통과하도록 이동된다.
공작물(15)의 밑면이 웹(11)과 접촉하자마자, 웹(11)과 공작물(15) 사이에 공급 방향(와이어 횡방향; 와이어 횡방향 인장)으로 힘이 형성된다. 웹(11)과 동일하게 연장되는 와이어 섹션의 공작물에 대한 상대 운동으로 인해, 랩핑제의 와이어 웹으로의 분사와 와이어 섹션에의 혼입 및 와이어 횡방향 인장, 공작물(및 소잉 와이어)로부터의 재료 제거가 유발되며, 공작물을 화살표 방향(18)으로 더 공급할 시에 내부에서 웹(11)이 공작물(15)을 통과하는 슬라이싱 갭(13)이 형성된다.
필그림 단계 소잉 방법에서, 와이어의 종축 이동 방향(9, 10)은 공작물(15)을 관통하는 완전한 절단 중에 다중 반전되며, 방향 반전의 이러한 쌍 - "필그림 단계"라고 함 - 중 각각의 개별 이동에서, 와이어는 일방향으로 보다 긴 거리로 이동되고, 반대 방향으로는 보다 짧은 거리로 이동된다. 그 결과, 각각의 완전한 필그림 단계 전체에서 2개의 길이의 합계에 상응하는 와이어 길이가 슬라이싱 갭을 관통하여 연장되지만, 풀기 스풀에서 감기 스풀로의 완전히 수행된 하나의 필그림 단계 후에 전체 와이어 공급이 변위되는 맞물린 와이어 섹션의 길이는 단지 이들 2개의 길이의 차에 상응한다.
도 2는 정확히 웹(11)의 와이어(1) 또는 와이어 섹션이 좌측에서 우측으로 화살표 방향(9)으로 이동하는 순간의 도 1에 따른 장치의 필수 요소를 측면도로 보여준다. 좌측 노즐 코움(19)으로부터 웹 상으로 분사되는 제트(22)와 우측 노즐 코움(20)으로부터 분사되어 여전히 와이어에 부착된 제트(23)의 잔여물은 대부분, 와이어가 공작물에 진입할 때 공작물의 표면에 의해 떨어져 나간다. 연마재가 축적되는 와이어 진입측 구역(26)이 형성되고, 와이어에 여전히 남아 있는 소량의 연마재만이 와이어로부터 슬라이싱 갭으로 유입되어, 슬라이싱 갭에서 재료 제거를 일으킨다.
공작물로부터의 와이어 진입측으로부터 와이어 출구측까지 슬라이싱 갭(13)의 길이(L)에 걸쳐, 변위, 낙수 및 입자 균열의 결과로서 도 1의 다이어그램 S = S(L)의 곡선(24)으로 개략적으로 예시한 바와 같이, 와이어 진입측의 위치로부터 측정된 연마재(S)의 점진적인 고갈이 발생한다. 연마재의 고갈, 슬라이싱 갭에서의 와이어 맞물림 길이에 걸쳐 공작물에 대해 실시되는 칩핑 작업의 총량, 및 점성 연마재에 대한 와이어의 이동 중에 와이어 맞물림 길이에 걸쳐 실시되는 절단 작업의 총량은 와이어 진입측에서 와이어 출구측까지 슬라이싱 갭에 있어서 와이어 종방향으로 상승하는 온도를 야기한다. 이것은 도 2의 다이어그램 T = T(L)의 곡선(25)로 개략적으로 제시되어 있다.
도 3은 구체적으로, 화살표(9)로 나타내는 와이어 이동 방향이 반전되어, 우측에서 좌측으로 이동한다는 점에서 도 2와 상이하다. 곡선(27)은 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 분포 S = S(L)를 개략적으로 보여주고, 곡선(28)은 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 온도 프로파일 T = T(L)을 보여주며, 와이어 맞물림 길이는 공작물 내로의 와이어의 진입 위치에서부터 공작물로부터 와이어가 빠져나오는 위치까지 측정된 것이다.
도 4는 연마재의 분포 S = S(L) 및 온도 프로파일 T = T(L)이 또한 와이어 맞물림 길이에 따라 변하는 것을 보여준다. 공작물이 원통형 형상으로 도시된 경우, 예컨대 와이어 맞물림 길이(L)는 공작물 공급의 경로 길이에 좌우되는 방식으로 변한다. 도 4는, 와이어 맞물림 길이(L)가 매우 짧은 공작물 내로의 소잉 순간을 보여준다. 따라서, 짧은 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재의 분포(37) 및 온도 프로파일(38)은 비교적 낮다. 그러나, 맞물림 순간(절단 개시)에 연마재량의 변화와 온도 변화는 상당하다.
도 5는 본 발명에 따른 방법을 실시할 때 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재 및 냉각제의 분포 S = S(L)와 온도 프로파일 T = T(L)을 보여준다. 본 발명에 따른 장치는 도 1에 도시한 장치뿐만 아니라, 좌측 노즐(29) 및 우측 노즐(32)을 포함한다. 이들 노즐은 와이어 웹(11) 아래에 배치된다. 노즐들 사이의 거리는, 공작물(15)이 와이어 웹을 통과할 때 노즐들 사이에 충분한 공간을 갖도록 치수가 정해진다.
노즐(29, 32)들은 각각, 축(41, 42)이 각각 공작물(15)의 축(14)과 평행한, 예컨대 원통형의 긴 코움을 형성한다. 코움은 점 형상의 다수의 개별 노즐로 이루어지거나, 또는 긴 노즐 슬롯으로서 구현된다. 노즐(29, 32)의 길이와 웹(11)에 대한 노즐의 축방향 배치는 웹의 전체 길이에 걸쳐 웹으로 분사가 이루어지도록 한다.
도 5에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 방법의 예에서, 와이어(1)와, 이에 따라 웹(11)에 있는 모든 와이어 섹션들은 좌측으로부터 이동하고, 연마재 공급물은 공작물로 와이어가 진입할 시에 떨어져 나가며, 구역(26)에 축적된다. 연마재는 노즐(19에 의해 상부로부터 웹으로 분사된다. 이 단계에서는, 웹(11) 아래에 있는 노즐(32)만이 온으로 된다. 노즐(32)은 와이어 섹션의 진입측의 반대측에 배치되는 웹 아래의 노즐이고, 공작물(15)에 있는 슬라이싱 갭(13)으로 측부 하방으로부터 제트(30)로 냉각제를 분사한다.
슬라이싱 갭은 좁고 절단이 진행될수록 매우 깊어지기 때문에, 내부에 분사되는 냉각제는 소정 깊이로만, 그리고 이에 따라 단지 소정 영역(31)에만 침투한다. 냉각제가 슬라이싱 갭으로 측부 하방으로부터 분사되는 결과로, 영역(31)은 매우 큰 면적을 획득하고, 냉각제 제트(30)의 냉각 효과는 매우 효과적으로 된다. 노즐(32)과 웹(11) 사이의 거리(43), 노즐(32)과 공작물(15) 표면 사이의 거리(44) 및 냉각제 제트(30)의 폭(45)과 각도 방위(46)는, 슬라이싱 갭 내에 온도 조절 영역(31)이 형성되고, 이것이 와이어 맞물림 길이(L)에 걸쳐 가능한 최대 균일도(4)를 갖는 온도 프로파일 T = T(L)을 초래하도록 설정되는 것이 바람직하다.
냉각제는 수성 캐리어액 또는 오일 함유 캐리어액이나 글리콜 함유 캐리어액 내의 절단 작용 경질 물질로 이루어진 슬러리인 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 사용되는 냉각제는 상부로부터 와이어 웹으로 분사되는 연마재와 조성이 동일한 슬러리이다.
이와 같이 조성이 동일한 슬러리가 사용되는 경우, 냉각제의 분사는 또한, 연마재가 고갈된 측부가 추가의 연마재를 수용하는 효과를 갖는다. 따라서, 이것은 곡선(39)에 대응하고 매우 균일한, 와이어 맞물림 길이(L)에 대한 연마재 및 냉각제의 분포 S = S(L)를 초래한다.
좌측 노즐(29)과 우측 노즐(32)은, 이들의 축(41, 42)과 공작물(15)의 축(14)이 이등변 삼각형 - 축(41, 42)이 밑변을 형성하고, 이 밑변은 와이어 웹(11)의 와이어 섹션과 평행하게 연장됨 - 의 모서리를 형성하도록 배치되는 것이 바람직하다.
도 5에 도시한 예에서는, 공작물로의 소잉 와이어(1)의 진입측 상의 노즐(19)만이 웹(11)에 연마재(22)를 분사한다. 반대측에 있는 노즐(20)은 이 시기에 오프된 상태로 유지된다. 좌측에서 우측으로 화살표 방향(9)으로의 현재의 와이어 이동으로 인해, 노즐(20)로 분사된 연마재는 와이어 섹션의 이동에 의해 공작물 반대측으로 이송되고, 슬라이싱 갭에 슬라이싱 효과를 나타내지 않을 것이다. 노즐(19)이나 노즐(20) - 각기 공작물로의 현재 와이어 진입측 상에 놓임 - 에서만 교대로 분사하는 것은 연마재를 절약하기 때문에 유리하다.
도 6은 도 5에 대응하는 것으로, 와이어 섹션이 우측에서 좌측으로 화살표 방향(9)으로 이동하는 경우의 상황을 보여준다. 이제, 웹(11) 아래에서 와이어 섹션의 진입측 반대쪽에 배치된 노즐(29)만이 온으로 전환된다. 상기 노즐을 통해, 냉각제가 제트(33)로 공작물(15)의 슬라이싱 갭(13)으로 분사된다. 노즐(29)과 웹(11) 사이의 거리, 노즐(29)과 공작물(15) 표면 사이의 거리, 제트(33)의 폭과 각도 방위 및 냉각제 제트(33)의 체적 유량에 따라, 매우 효율적으로 온도 조절되는 영역(34)이 슬라이싱 갭(13)에 형성된다. 따라서, 와이어 섹션의 이동 방향이 도 5와 비교하여 반대측을 향하는 경우에도 또한, 이것은 와이어 맞물림 길이(L)에 걸쳐, 곡선(36)에 대응하고 매우 균일한 온도 프로파일 T = T(L)을 초래한다. 조성이 사용되는 연마재의 조성에 상응하는 냉각제가 사용되면, 와이어 맞물림 길이(L)에 대한, 곡선(35)에 대응하는 연마재 및 냉각제의 분포 S = S(L)도 마찬가지로 매우 균일하다.
본 발명에 따른 방법은, 필그림 단계 방법에 따라 실시되는 싱글 와이어 멀티플 슬라이싱 랩핑을 포함하는 것이 바람직하고, 본 발명에 따른 방법의 필그림 단계는 도 5 및 도 6에 제시된 단계의 순서로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 부분 단계에서, 소잉 와이어는 좌측에서 우측으로 화살표 방향(9)으로 이동한다. 이 경우, 연마재 제트(22)는 웹(11)으로 분사된다. 이와 동시에, 웹(11) 아래에 배치되고, 와이어 섹션의 진입측 반대쪽에 위치하는 우측 노즐(32)은 슬라이싱 갭(13)의 영역(31)으로 냉각제 제트(30)를 분사한다. 그 동안, 와이어 웹 상부에 배치되는 노즐(20)과 와이어 웹 아래에 배치되는 노즐(29)은 오프로 전환된다. 이에 대한 대안으로서, 와이어 웹 위에 배치되는 노즐(20)도 또한 온으로 전환될 수 있다.
제2 부분 단계에서, 소잉 와이어는 우측에서 좌측으로 이동한다. 이 경우, 연마재 제트(23)는 웹(11)으로 분산된다. 이와 동시에, 웹(11) 아래에 배치되고 와이어 섹션의 진입측 반대쪽에 위치하는 좌측 노즐(29)은 온으로 전환되고 슬라이싱 갭(13)의 영역(34)에 냉각제 제트(33)를 분사한다. 그 동안, 와이어 웹 위에 배치되는 노즐(19)과 와이어 웹 아래에 배치되는 노즐(32)은 오프로 전환된다. 이에 대한 대안으로서, 와이어 웹 위에 배치되는 노즐(19)도 또한 온으로 전환될 수 있다.
노즐(29) 및 노즐(32) 각각과 와이어 웹(11) 사이의 최적 거리, 노즐(29) 및 노즐(32) 각각과 공작물 표면 사이의 최적 거리, 및 냉각제 제트(30) 및 냉각제 제트(33) 각각의 최적 폭과 각도 방위, 및 노즐(29) 및 노즐(32) 각각을 통해 분사되는 냉각제의 체적 유량은, 예컨대 열화상 카메라에 의한 결과적인 온도 분포의 평가 및 와이어 종방향으로 얻어진 박편의 웨지 형상을 측정하는 것에 의한 연마재 및 냉각제의 결과적인 분포의 평가에 따라 각기 구성이 변경된 테스트 절단에 의해 결정된다. 그러한 최적화는 소오의 타입에 대해 개별적으로 수행되어야 하는데, 그 이유는 와이어 안내 롤들의 갯수, 크기 및 거리(웹 길이)와, 노즐(19, 20)의 타입 및 배치, 그리고 또한 주위 기계 장치 하우징의 열적 조건이 디자인 계열에 좌우되며, 그 결과 최적 냉각과 연마재 및 냉각제 분포에 상이한 영향을 미치기 때문이다. 최적화는 또한 생산량을 수반할 수 있는데, 즉 테스트 절단을 통한 수율의 손실 없이 실시된다.
A : 와이어 섹션
1 : (소잉) 와이어
2 : 홈
3 : 좌측 와이어 안내 롤
4 : 우측 와이어 안내 롤
11 : 웹(상부 웹)
12 : 하부 웹
13 : 슬라이싱 갭
15 : 공작물
16 : 소잉 스트립
1 : (소잉) 와이어
2 : 홈
3 : 좌측 와이어 안내 롤
4 : 우측 와이어 안내 롤
11 : 웹(상부 웹)
12 : 하부 웹
13 : 슬라이싱 갭
15 : 공작물
16 : 소잉 스트립
Claims (14)
- 공작물로부터 다수의 박편을 동시 슬라이싱하는 슬라이싱 방법으로서,
와이어 소오의 공급 디바이스를 이용하여, 공작물의 축이 와이어 소오의 와이어 안내 롤의 축과 평행하게 공작물을 유지하는 단계;
와이어 소오의 공급 디바이스로 공작물을, 와이어 소오의 웹을 상부로부터 수직으로 통과하도록 이동시키는 단계로서, 상기 와이어 소오의 웹은 서로 평행하게 한 면에서 연장되는 다수의 와이어 섹션으로 형성되는 것인 단계;
와이어 섹션에 연마재로서 캐리어액 내의 경질 물질로 이루어진 슬러리를 공급하는 동안, 회전 방향이 연속적으로 변하는 와이어 안내 롤의 회전의 결과로서 와이어 섹션이 공작물에 대해 상대 이동하는 단계로서, 상기 상대 이동은 와이어 섹션을 진입측에서부터 공작물을 관통하여 출구측으로 안내하는 것인 단계; 및
상기 와이어 소어의 웹을 통과하는 공작물의 이동 중에 생성되는 슬라이싱 갭으로 측부 하방으로부터 냉각제를 분사하는 단계로서, 상기 냉각제는 와이어 소어의 웹 아래에서 와이어 안내 롤의 축과 평행하게 배치되는 노즐을 통해 슬라이싱 갭으로 분사되고, 상기 냉각제는 와이어 섹션의 진입측 반대쪽에 위치하는 노즐을 통해서만 슬라이싱 갭으로 분사되는 것인 단계
를 포함하는 슬라이싱 방법. - 제1항에 있어서, 캐리어액 내의 경질 물질로 이루어진 추가의 슬러리를 냉각제로서 사용하는 슬라이싱 방법.
- 제2항에 있어서, 사용되는 연마재 및 사용되는 냉각제는 동일한 조성을 가지나 상이한 온도를 갖는 것인 슬라이싱 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 사용되는 연마재 및 사용되는 냉각제는 동일한 온도를 갖는 것인 슬라이싱 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 사용되는 연마재 및 사용되는 냉각제는 상이한 온도를 갖는 것인 슬라이싱 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각제의 온도는 웹을 통과하는 공작물의 이동 동안에 변하는 것인 슬라이싱 방법.
- 제6항에 있어서, 냉각제의 온도는 공작물에 와이어 섹션이 맞물리는 와이어 맞물림 길이에 좌우되는 방식으로 변하는 것인 슬라이싱 방법.
- 제7항에 있어서, 냉각제의 온도는 와이어 맞물림 길이가 증가할 때에는 상승하고, 와이어 맞물림 길이가 감소할 때에는 저하하는 것인 슬라이싱 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 웹을 통과하는 공작물의 이동 동안에 분사되는 냉각제의 체적 유량이 일정하게 유지되는 것인 슬라이싱 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 웹을 통과하는 공작물의 이동 동안에 분사되는 냉각제의 체적 유량이 변하는 것인 슬라이싱 방법.
- 제10항에 있어서, 분사되는 냉각제의 체적 유량은 공작물에 대한 와이어 맞물림 길이에 좌우되는 방식으로 변하는 것인 슬라이싱 방법.
- 제11항에 있어서, 분사되는 냉각제의 체적 유량은 와이어 맞물림 길이가 증가할 때에는 증대되고, 와이어 맞물림 길이가 감소할 때에는 저감되는 것인 슬라이싱 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 직경이 450 mm 이상인 단결정이 공작물로서 사용되는 것인 슬라이싱 방법.
- 삭제
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