KR20010020235A - 수성조성물, 이것을 사용한 수성절삭액, 이들 제조방법 및 이 수성절삭액을 사용한 절삭방법 - Google Patents

Abstract

작업환경이나 지구환경에의 임팩트를 억제하고, 연마용 입자가 높은 분산성과 침전물의 하드케이크화의 방지를 양립시켜 얻는 수성절삭액을 제공한다.

에틸렌글리콜 등의 친수성다가알콜계화합물과, 프로필렌글리콜 등의 친유성다가알콜계화합물과, 물을 포함하는 분산매(M) 중에서 규산콜로이드입자(P)가 안정하게 분산된 수성조성물에, 연마용 입자(G)를 분산시킨다. 분산매(M)는 무취이며 비인화성이다. 연마용 입자(G) 끼리는 시간이 경과함에 따라 침강시켜도 직접 밀접하게는 접촉하지 않기 때문에, 침전물이 하드케이크화하지 않고, 재분산·재이용할 수 있다. 본 수성절삭액은 원래 저점도이기 때문에, 수분의 혼입에 의한 점도의 감소, 절삭부스러기의 혼입에 의한 증점이 완만하고, 수명이 길다. 피가공물의 수세가 가능하다. 분산매(M)가 생분해성이 있는 저분자량 유기화합물이기 때문에, 활성오니에 의한 폐액처리가 가능하다.

Description

수성조성물, 이것을 사용한 수성절삭액, 이들 제조방법 및 이 수성절삭액을 사용한 절삭방법{AQUEOUS COMPOSITION, AQUEOUS CUTTING LIQUID USING THE COMPOSITION, PRODUCING PROCESSES FOR THE COMPOSITION AND THE CUTTING LIQUID, AND CUTTING METHOD USING THE CUTTING LIQUID}

일반적으로 와이어소나 밴드소 등의 절삭공구를 사용하여 피가공물을 절단하는 경우, 절삭공구와 피가공물과의 사이의 윤활, 마찰열의 제거, 절삭부스러기의 세정을 목적으로 하여 절삭액이 널리 사용되고 있다. 예를 들면 피가공물로서 실리콘단결정의 잉곳을 슬라이스하여 웨이퍼를 제조하는 경우에는, 광물유나 고급탄화수소를 주성분으로 하는 분산매 중에 SiC(탄화규소) 등으로 이루어지는 유리연마용 입자를 분산시킨 슬러리상의 비수성절삭액이 널리 사용되고 있다.

절단에 의해 얻어진 웨이퍼는, 트리클로로에탄이나 디클로로메탄 등의 염가로 세정력이 높은 염소계유기용매를 사용하여 세정된다.

이와 같이 절삭공구와 피가공물과 연마용 입자와의 동적 접촉에 의해서 절단이 행하여지는 계에서는, 절삭액 중에 있어서의 연마용 입자의 분산성을 높이는 것이, 절삭성능을 항상 일정히 유지하는 데에 있어서 중요하다. 분산성을 높이기 위한 수법에는, 대별하여 (a)분산제를 첨가하는 방법과, (b)증점제를 첨가하는 방법이 있다.

상기 (a)방법은, 연마용 입자 그 자체의 분산성을 적극적으로 높이고자 하는 것이다. 일반적으로 유체 중에 있어서의 입자의 분산성은, 개개의 입자의 질량이 작고, 각 입자사이에 전기2중층 혹은 흡착분자의 입체장해 등의 요인에 의해서 충분한 반발력이 작용하고, 또한 개개의 입자가 일차입자(응집하지 않는 상태의 입자)로서 존재하는 경우에 양호하게 되며, 침강 속도는 시간이 늦게 된다. 이 때문에, 전해질, 혹은 어느 정도의 길이를 가진 알킬사슬 등의 친유기를 갖는 계면활성제를 분산제로서 첨가하는 것이 행하여지고 있다.

한편 상기 (b)방법은, 분산매의 점도를 높이는 것에 의해, 연마용 입자의 브라운운동을 저해하여 침강 속도를 늦추고자 하는 것이다. 증점제로서는, 벤토나이트가 잘 알려져 있다.

그러나 비수성절삭액에는 해결해야 할 과제도 많다.

우선, 종래의 비수성절삭액의 분산매로서 널리 사용되고 있는 유기용매는, 악취가 강하고, 또한 종류에 따라서는 인화성을 갖는 등, 작업환경을 악화시키는 원인을 갖고 있다.

또한 상술한 바와 같은 소위 유성의 절삭액을 사용하여 절단된 피가공물은, 이것을 용해제거할 수 있는 유기용매를 사용하여 세정할 필요가 있다. 그러나 예를 들면 반도체 웨이퍼의 세정에 다용되고 있는 디클로로에탄은 오존층파괴물질로 지정되어 있기 때문에, 전폐를 위하여 금후는 사용량을 삭감해 나아가야 하지만, 대체물질의 경제성이나 세정력은 현재 상태로서는 아직 부족하다.

상기 (a)의 분산제를 첨가하는 방법에는, 침전물의 하드케이크화의 문제가 있다.

분산제의 첨가에 의해서 분산성이 높여진 연마용 입자는, 침강 속도는 확실히 느리지만, 퇴적의 과정에서는 서로 친밀하게 접촉하여 반발력을 상회하는 하중으로 압축되고, 하드케이크을 형성하여 버린다. 하드케이크이 일단 형성되면, 원래와 같은 상태로 재분산시키는 것은 곤란하다. 따라서, 이러한 침전물을 생기게 한 절삭액을 장시간 교반하고 재이용하려 해도 결과적으로는 연마용 입자농도가 낮은 상태로 사용하는 셈이 되어, 절삭성능이 저하하여 버린다. 또한, 절삭액의 공급계통의 배관이 막히거나, 혹은 하드케이크을 분쇄하기 위한 공구의 마모가 빨라지는 등의 문제도 있다.

개개의 연마용 입자의 질량이 크고, 각 입자사이의 반발력이 작으면, 하드케이크화의 문제는 해소된다. 그것은, 주로 분산매 중에 존재하는 다가이온이 개재하여 연마용 입자끼리를 전기적으로 결합시키는 결과, 공극이 많은 부드러운 응집덩어리(플로큐레이트)가 생기기 때문에, 시간 경과적으로도 비교적 부드러운 침전물(소프트케이크)이 형성되기 때문이다. 소프트케이크이라면 재분산도 용이하다.

그러나, 이러한 절삭액 속에서는 연마용 입자를 일차입자상태로 유지하는 것이 어렵고, 또한 분산매 중에 있어서의 플로큘레이트의 침강 속도도 빠르기 때문에, 절삭액 중의 연마용 입자농도분포가 불균일화하고, 절삭성능이 불안정하게 되기 쉽다.

이 때문에, 결국은 분산성이 높은 절삭액을 사용하지 않을 수 없고, 재이용이 어려운 사용 종료의 절삭액은 회수 후, 일반적으로 소각처분된다. 이 소각에 있어서는, 유기용매의 연소에 기인하는 이산화탄소가 대량으로 방출되고, 지구온난화 방지의 관점에서 바람직하지 못하다.

한편, 상기 (b)와 같이 증점제를 첨가하는 방법은, 절삭액의 점도가 불변하다는 가정 하에서는 일정한 효과가 보증되지만, 실제로는 절삭액의 점도는 여러 가지 요인으로 변화한다.

우선 절삭액의 점도는, 절삭부스러기가 혼입하면 일반적으로 증대한다. 점도가 증대하면, 균질한 연마용 입자를 피가공물의 절단면에 항상 일정한 비율로 공급할 수 없게 되기 때문에, 일반적으로는 절삭부스러기의 혼입량이 절삭액의 3∼4중량%에 달하면 절삭액을 교환할 필요가 있다. 이것이, 절삭액의 폐기량을 늘리고, 나아가서는 그 소각에 따라 발생하는 이산화탄소의 양을 늘리게 된다.

또한, 수분이 혼입하더라도 비수성절삭액의 점도는 증대한다. 따라서, 수분혼입을 막기 위해서 종래는, 예를 들면 와이어소의 장치 내에서의 웨이퍼나 잉곳부착베이스의 세정작업에 큰 제약이 있었다. 즉, 비수성절삭액을 사용하는 계에서는 세정액도 유기용매가 아니면 안되기 때문에, 절삭액 탱크와는 별도로 설치한 세정탱크에 세정액을 채워 세정을 할 필요가 있다. 이래서는 장치의 점유면적이 증대하고, 더욱이 유기용매의 사용량도 증가하여 작업환경이나 지구환경이 점점 더 악화하는 원인이 된다. 전

반대로, 분자전단에 의해 분산매의 분자구조가 파괴되면, 비수계절삭액의 점도는 저하하고, 절삭성능이 불안정화한다.

상술한 바와 같이, 비수성절삭액에 있어서는 작업환경이나 지구환경에의 임팩트를 억제하고, 또한 절삭성능의 유지에 필요한 연마용 입자의 높은 분산성의 달성과, 재이용성이나 설비의 보수성의 개선에 필요한 하드케이크화의 방지를 양립시키는 것이 지극히 어렵다.

그래서 본 발명은, 이들 문제를 해결하기 위해서, 절삭액의 베이스로 되는 신규인 수성조성물을 제안하고, 이것을 사용한 수성절삭액, 및 이들 제조방법, 및 이 수성절삭액을 사용한 절삭방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[발명의 개시]

본 발명의 수성조성물은 상술의 목적을 달성하기 위해서 제안되는 것이며, 인체에 해가 거의 없는 무취이고, 또한 생물분해성이 우수하고 활성오니법에 의한 처리가 용이한 비교적 저분자량의 다가알콜을 분산매의 주체로 하고, 이것에 본제를 비인화성이 되게 하는 분량으로 수분을 함유시켜, 이러한 분산매 속에서 규산콜로이드를 안정하게 분산시킨 것이다. 상기 다가알콜로서는, 친수성다가알콜계화합물과 친유성다가알콜계화합물을 병용한다.

또한, 본 발명의 수성절삭액은, 상기의 수성조성물에 연마용 입자를 첨가하는 것이고 해당 연마용 입자를 규산콜로이드와 함께 안정하게 분산시킨 것이다. 이러한 수성절삭액에 의하면, 연마용 입자의 분산성이 향상되는 것은 물론, 가령 시간이 경과함에 따라 연마용 입자가 침강하더라도 연마용 입자의 입자사이에 규산콜로이드입자가 개재되는 형으로 퇴적이 진행하기 때문에, 침전물은 하드케이크화할 수 없고, 용이하게 재분산시키는 것이 가능해진다.

이러한 본 발명의 수성조성물을 제조하기 위해서는, 물과, 친수성다가알콜계화합물과, 규산염을 혼합하여 규산을 생성시킨 제1액을 조제하고, 이 제1액을, 친유성다가알콜계화합물을 주체로 하는 제2액과 혼합함에 의해, 유리의 규산을 콜로이드입자로 하여 안정화시킨다.

또한, 수성절삭액을 제조하기 위해서는, 상기와 같이 하여 얻어진 수성조성물에 연마용 입자를 첨가한다.

상기 수성절삭액은, 피가공체와 절삭수단을 동적으로 접촉시키면서 해당 피가공체를 절삭할 때에 사용하면 적합하다.

본 발명은, 실리콘단결정, 실리콘다결정, 화합물반도체 등의 반도체재료로 이루어지는 잉곳 혹은 세라믹·블록 등의 피가공물을 절단할 때에 사용되는 절삭액의 성능안정성, 안전성, 폐액처리성의 개선에 관하여, 또한 해당 절삭액의 간편한 제조방법, 및 이것을 사용한 신뢰성이 높은 안전한 절삭방법에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명의 수성절삭액에 있어서의 연마용 입자의 분산상태를 설명하는 모식도이다.

도 2는, 본 발명의 수성절삭액에 있어서의 연마용 입자의 침강상태를 설명하는 모식도이다.

도 3은, 수성조성물중의 수분함유량이 수성절삭액의 점도에 미치는 영향을 B형점도계에 의한 측정치에 근거하여 나타내는 그래프이다.

도 4는, 수성조성물중의 수분함유량이 수성절삭액의 점도에 미치는 영향을 VTO4형점도계에 의한 측정치에 근거하여 나타내는 그래프이다.

도 5는, 실리콘분말의 혼입량이 수성절삭액의 점도에 미치는 영향을 B형점도계에 의한 측정치에 근거하여 나타내는 그래프이다.

도 6은, 실리콘분말의 혼입량이 수성절삭액의 점도에 미치는 영향을 VTO4형점도계에 의한 측정치에 근거하여 나타내는 그래프이다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

이하에 본 발명에 관하여 더욱 상세히 서술한다.

본 발명의 수성조성물은, 분산매 중에 있어서의 규산콜로이드입자가 친수성다가알콜계화합물과 친유성다가알콜계화합물과의 최적화된 밸런스 하에서 안정화되어 있는 것을 큰 특색으로 하고 있다.

또한 본 명세서 중에 있어서 친수성다가알콜계화합물이란, 친수성다가알콜과 그 유도체를 가리키는 것으로 한다.

또한 친유성다가알콜계화합물이란, 친유성다가알콜과 그 유도체, 혹은 친수성다가알콜의 폴리머를 가리키는 것으로 한다.

친수성다가알콜계화합물은, 규산염으로부터 규산을 생성시키기 위한 촉매 역활을 하고 있다. 일례로서, 에틸렌글리콜의 작용으로 메타규산칼륨으로부터 메타규산이 생성하는 과정을 다음식 (i)에 나타낸다.

부생한 에틸렌글리콜의 칼륨염은 주위의 물과의 이온교환에 의해 에틸렌글리콜로 재생된다. 이 과정을 다음 식 (ⅱ)에 나타낸다.

여기서, 식(ⅰ), (ⅱ)의 반응생성물이 공존하는 조성물은 처음은 겔형상을 나타내고 있지만, 해당 조성물중의 수분이 대단히 적은 경우는 방치에 의해 점차로 젤리형상으로 변화한다. 그러나 상기 혼합물 중에 있어서의 물의 함유량이 많은 경우에는, 젤리형상이 되지 않는다. 이 점으로부터 상기 젤리화는, 메타규산의 탈수축합에 의한 이규산의 생성, 혹은 그 이상의 고차의 폴리머의 생성에 근거하는 것으로 생각된다. 이규산의 생성과정을 다음 식 (ⅲ)에 나타낸다.

조성물이 이와 같이 젤리화하여 버리면, 예컨대 이 조성물에 연마용 입자를 혼합하여 절삭액으로서 사용하고자 하는 경우, 절삭면에 새로운 연마용 입자를 원활히 공급할 수 없고, 절삭성능을 저하시키게 된다. 따라서, 조성물에는 어느 정도의 물이 포함되어 있는 것이 필요하다. 단, 물이 너무 많으면 이번에는 규산콜로이드입자가 완전히 이온화하여, 응집·침전하여 버리고, 연마용 입자 분산에 기여할 수 없게 된다.

따라서 본 발명의 수성조성물에 있어서, 상기의 젤리화를 방지하는 역활을 하는 것이 친유성다가알콜계화합물이다. 친유성다가알콜계화합물은, 분산매 중에 적당량 첨가되는 것에 의해 상기 메타규산의 물에의 용해도를 저하시키고, 규산콜로이드입자를 이온화시키지 않고 안정화하는 것에 기여한다.

이 때 친유성다가알콜계화합물의 일부는 친수성다가알콜계화합물과 마찬가지로 메타규산칼륨으로부터 메타규산을 생성시키기 위한 촉매로서 기능하는 점도 생각되지만, 친유성이 강한 환경 속에서 메타규산칼륨으로부터 메타규산을 주로 생성시키고 있는 것은, 주위의 물에 의한 이온교환작용이다. 이 과정을, 다음 식(ⅳ)에 나타낸다.

그러나, 이 때의 환경의 친유성이 지나치게 강하면, 메타규산과 그 칼륨염이 반응하여 산화실리콘의 미립자가 생성한다. 이 과정을, 다음 식 (ⅴ)에 나타낸다.

요컨대, 모처럼 생성한 규산이 그대로의 형태로 유지되지 않고, 산화실리콘(SiO₂)으로 변화하여 침강하여 버리는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 친수성다가알콜계화합물과 친유성다가알콜계화합물과의 함유량의 밸런스가 특히 중요한 것이다. 친수성다가알콜계화합물의 함유량에 대하여, 친유성다가알콜계화합물의 함유량을 대략 2.5∼20.0배의 범위에서 선택하는 것이 적합하다.

본 발명에서 사용하는 친수성다가알콜계화합물로서는 에틸렌글리콜이나 글리세린, 및 이들 에스테르유도체나 에테르유도체를 들 수 있다. 이들 화합물은, 주사슬의 탄소수가 2∼6의 범위에 있는 화합물이며, 단일 화합물을 사용하더라도, 또한 복수의 화합물을 조합하여 사용하더라도 좋다.

한편, 친유성다가알콜계화합물로서는 프로필렌글리콜, 및 그 에스테르유도체나 에테르유도체를 들 수 있다. 이들 화합물은, 주사슬의 탄소수가 대략 2∼6인 범위에 있는 화합물이며, 단일 화합물을 사용하거나, 또한 복수의 화합물을 조합하여 사용하더라도 좋다.

상기의 화합물은 어느 것이나 무취이며, 인체에도 거의 무해하다.

또한 분자량이 비교적 작고 생분해성이 우수하기 때문에, 통상의 오수처리설비에서 이용되고 있는 활성오니라도 충분히 분해할 수가 있다. 따라서, 소각처리를 요하거나 이에 따라 이산화탄소가 발생할 염려가 없다.

또한 상기 친유성다가알콜계화합물은, 폴리에틸렌글리콜같은 폴리머이어도 좋다. 다만, 폴리머를 사용하는 경우는 실온에서 액상인 것이 필요하고, 예를 들면 폴리에틸렌글리콜에 대해서는 중합도 n=200∼400인 것을 사용할 수가 있다. 그러나 활성오니나 활성탄흡착에 의한 배수처리는 어렵다.

본 발명의 수성조성물에서는, 분산매 중에 있어서의 물의 함유량을 5중량% 이상, 50중량% 미만으로 하는 것이 특히 적합하다. 이것은 환원하면 분산매 중에 있어서의 친수성다가알콜계화합물과 친유성다가알콜계화합물의 함유량의 합계가, 50∼95중량%의 범위인 것을 의미하고 있다. 물의 함유량이 5중량%보다도 적은 경우에는, 조성물이 젤리화하거나, 혹은 충분한 비인화성이나 냉각성능을 줄 수 없다는 문제가 생긴다. 한편, 물의 함유량이 50중량%보다도 많은 경우에는 규산콜로이드입자가 전부 이온화·응집하여 버리고, 예를 들면 해당 조성물에 연마용 입자를 첨가하여 수성절삭액으로서 사용하고자 하는 경우에, 연마용 입자의 분산성을 현저히 저하시켜 버린다. 요컨대 물의 함유량은, 규산콜로이드입자를 완전히 이온화시키기 위해서는 부족하지만, 규산의 겔화를 방지하기에 충분하도록 선택할 필요가 있다.

보다 바람직한 물의 함유량의 범위는, 10중량% 이상, 40중량% 미만이다.

본 발명의 수성조성물 중에 있어서의 규산염의 함유량은, 대략 0.1중량% 이상, 10.0중량% 이하로 하는 것이 적합하다. 0.1중량%보다도 적으면 충분한 양의 규산콜로이드입자가 생성되지 않고, 10.0중량%를 넘으면 유리의 규산끼리의 중합에 의해 수성조성물이 젤리화하기 쉽게 돼버린다.

또한 본 발명의 수성조성물에는 pH조정제로서 카르본산 또는 그 유도체를 첨가하는 것도 적합하다. 상기 카르본산으로서는, 킬레이트 작용을 갖고, 또한 생분해성이 높은 것이 적합하며, 유산, 구연산, 글루콘산, 사과산을 예시할 수 있다. 또한 카르본산의 유도체로서는, 전형적으로 알카리금속염을 사용할 수 있다. 바람직한 pH조정범위는 5.0∼12.0이다. 5.0보다 낮은 경우에는 생성된 규산콜로이드의 안정한 분산성을 얻을 수 없게 되고, 12.0보다 높은 경우에는 규산콜로이드가 가용화하여 콜로이드상태를 유지할 수 없게 된다. 어느 경우이든, 수성절삭액의 베이스가 된 경우의 연마용 입자의 분산성이 손상되고, 또한 침강물의 하드케이크화를 방지하는 것이 곤란하게 된다.

또한, 본 발명의 수성조성물에는 필요에 따라서 유지, 지방산, 혹은 에스테르를 윤활제로서 첨가하여도 좋다. 이 때의 윤활제의 첨가량은, 대강 30.0중량%까지로 한다.

또한, 윤활제에 의한 윤활효과를 높이기 위해서 계면활성제를 대략 15중량%까지의 범위로 첨가하더라도 좋다.

이러한 본 발명의 수성조성물을 제조하기 위해서는 우선 물과, 친수성다가알콜 또는 그 유도체의 적어도 한쪽과, 규산염을 혼합한 제1액을 조제한다. 제1액 속에서는, 상술의 식(i)에 도시한 바와 같이, 친수성다가알콜계화합물의 촉매작용에 의해 규산염으로부터 규산이 생성된다.

다음에 이 제1액과, 친유성다가알콜 또는 그 유도체의 적어도 한쪽을 주체로 하는 제2액을 혼합한다.

상기의 수성조성물에 연마용 입자를 첨가하면, 연마용 입자가 규산콜로이드와 같이 안정하게 분산된 수성절삭액을 제조할 수 있다.

연마용 입자는, 수성조성물에 대하여 중량비로 등배∼1.5배정도의 범위로 첨가된다. 연마용 입자는, 강옥사, 금강사, 석영사, 흑색탄화규소, 녹색탄화규소 등, 공지의 것을 용도에 따라서 선택한다. 반도체 잉곳의 절단에는, 녹색탄화규소가 특히 적합하다.

본 발명의 수성절삭액은, 피가공체와 절삭수단을 수성절삭액의 존재 하에서 동적으로 접촉시킴으로써 해당 피가공체를 절삭하는 절삭방법에 널리 적용할 수가 있다.

특히, 와이어소 혹은 밴드소 등의 절삭수단을 사용하여 반도체 잉곳의 절삭에 본 발명의 수성절삭액을 사용한 경우에는, 고정밀도인 절단을 용이하게 행할 수 있게 된다. 다만, 절삭수단은 특별하게 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 상기 와이어소나 밴드소를 다중화한 멀티 와이어소나 멀티 밴드소 등, 유리연마용 입자를 사용한 어떠한 절삭수단이더라도 상관없다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 관해서 설명한다.

《실시예1》

본 실시예에서는, 본 발명의 수성조성물의 조제예에 관해서 설명한다.

우선, 하기의 제1액과 제2액을 준비하였다.

<제1액＞

정제수 75.0중량%

에틸렌글리콜 8.5중량%

규산칼륨 16.5중량%

<제2액＞

프로필렌글리콜 100중량%

상기 제1액 중에는, 유리의 규산이 생성되고 있다.

다음에, 25℃에서 제2액 75.0중량%에 대하여 제1액 24.0중량%을 첨가하였다. 이 과정에서는, 친유성다가알콜인 프로필렌글리콜의 존재와 상대적인 수분량의 저하에 의해서, 제1액 중에 생성하고 있던 유리의 규산이 콜로이드입자를 형성하고, 안정하게 분산된 상태로 되었다.

이 다음, pH조정용의 카르본산으로서 구연산을 1.0중량% 첨가하고, pH를 6.5로 조정하여 수성조성물을 얻었다.

얻어진 수성조성물은 무취였다.

상기 수성조성물의 최종적인 수분함유량은 18.0중량% 이며, 비인화성(123℃에서 비등)이었다. 그 밖의 주된 성질은, 점도=17.5 mPa·s「도쿄계기(주)제, B형점도계사용」, 비중=1.049, 표면장력=35.9 mN/m, 1% 수용액의 COD(화학적 산소 요구량)=6700mg/리터, 마찰계수=0.110이었다.

이 수성조성물은, 이대로도 예를 들면 안둘레칼날장치(內周刃裝置)나 바깥둘레칼날장치(外周刃裝置) 등에 의한 절삭용의 냉각제로서 사용하는 것이 가능하다.

《실시예2》

여기서는 상기의 수성조성물에 연마용 입자를 첨가하여 수성절삭액을 조제하고, 그 기본적인 성질에 관해서 검토하였다.

우선, 실시예1에서 상술한 제1액과 제2액의 혼합비율을 바꿈으로써, 수분함유량이 13∼48중량%의 8종류의 수성조성물을 조제하였다.

다음에 이들 수성조성물의 각각에 대하여, 입자지름이 다른 3종류의 녹색탄화규소연마용입자, 즉 GC#600(평균입자지름 20.0±1.5μm), GC#800(평균입자지름 14.0±1.0μm), 및 GC#1000(평균입자지름11.5±1.0μm)(어느 것이나 JIS 명칭)을 수성조성물과 등중량으로 혼합하여, 수성절삭액을 조제하였다.

이들 수성절삭액은 어느 것이나 무취, 비인화성이었다.

상기의 수성절삭액에 있어서의 연마용 입자의 침강 속도는, 수분함유량이 적은 만큼 느리고, 반대로 수분함유량이 많은 만큼 빠르지만, 어느 것이나 침강·퇴적한 후의 연마용 입자는 하드케이크화를 발생시키지 않았다.

여기서 실온에서 정치8시간 후의 절삭액의 액면의 높이에 대하여 연마용 입자의 침전층의 표면의 높이가 90%이상이 되는 것으로 불침강타입, 정치 24시간 후의 절삭액의 액면의 높이에 대하여 침전층의 표면의 높이가 60% 이하가 되는 것을 침강타입으로 정의하면, 본 발명의 수성절삭액은 이들 불침강타입과 침강타입의 중간적인 특성을 구비하는 것이 바람직하다.

이러한 중간적인 특성을 얻기 위해서는, 수성절삭액의 수분함유량을 30중량% 이하로 하면 된다는 것을 알았다. 이러한 수성절삭액은, 정치 8시간 후의 액면의 높이에 대한 연마용 입자의 침전층의 표면의 높이의 비율이 80∼90%, 정치 24시간 후의 비율이 65∼75% 이었다.

분산매인 수성조성물이 점도가 낮음에도 불구하고, 본 발명의 수성절삭액이 종래의 침강타입보다도 장시간, 연마용 입자의 분산상태를 유지할 수 있는 것은, 연마용 입자가 분산매 속에서 음이온성을 나타내고, 한쪽의 규산콜로이드입자도 입자표면이 음이온의 전하구름(전기2중층)에 둘러싸인 상태로 분산매 중에 부유하고 있기 때문이다.

이 분산계의 상태를 도 1에 나타낸다. 이 계에서 연마용 입자(G)를 둘러싸는 음이온의 전하끼리의 사이, 분산매(M) 중에 부유하고 있는 규산콜로이드입자(P) 끼리의 사이, 연마용 입자(G)와 규산콜로이드입자(P)와의 사이에, 분산매(M) 중에 이온해리한 음이온의 개재도 있어 각각 같은 전하에 의한 반발력(제타전위)이 작용하고, 연마용 입자(G)의 분산이 촉진되고 있다.

이 전하반발력은 침전물 속에서도 유지되고 있다. 즉 도 2에 표시되어 있는 바와 같이, 인접하는 규산콜로이드입자(P)끼리는 그 표면의 전하밀도가 크기 때문에 큰 반발력을 나타내고, 항상 일정한 거리를 유지하고자 한다. 또한 이 전하반발력은 유동, 진동 등의 물리적 자극작용에 의해 재현성, 지속력이 현저하게 되고, 침전물 중의 규산콜로이드입자(P)에 의해 일종의 공간적인 매트릭스구조가 형성된다. 연마용 입자(G)는, 이 매트릭스 속에 받아들여진 상태로 점재(点在)한다.

그러나 본 발명의 수성절삭액은 종래의 불침강 타입보다는 조속히 침전을 발생하므로, 실용상은 자연침강법에 의한 고액분리를 거쳐 연마용 입자를 재이용할 수 있다. 따라서, 고액분리를 위한 장치구성도 간단하고 끝난다는 이점이 있다.

더구나 상기 수성절삭액을 정치한 결과 얻어지는 침전물에 있어서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 개개의 연마용 입자(G) 사이에 규산콜로이드입자(S)의 매트릭스가 개재되기 때문에 연마용 입자(G)끼리가 밀착하지 않고, 하드케이크화의 우려가 없다. 실제, 상술한 수성절삭액을 실온에서 7일간 방치한 뒤라도, 침전물은 용이하게 재분산시킬 수 있었다.

덧붙여서 말하면, 종래의 절삭액으로서는 연마용 입자분산성이 뛰어난 것일수록 침전물의 하드케이크화가 현저히 진행하고, 더구나 자연침강법으로서는 연마용 입자를 용이하게 회수할 수 없기 때문에 할 수 없이 실행하고 있는 원심분리가, 침전물을 점점 더 강고히 응결시킨다는 악순환을 초래하고 있었다.

다음에, 얻어진 각 수성절삭액의 점도를 두 가지의 점도계「도쿄계기(주)제 B형점도계 및 리온(주)제 VT04형점도계」를 사용하여 각각 측정하였다. B형점도계는 피측정액 속에서 원반형 회전자, VT04형점도계는 원통형 회전자를 각각 회전시켜, 이들 회전자에 가해지는 응력의 측정으로부터 피측정액의 점도를 구하는 것이고, 회전자의 회전 반경, 회전자의 형상, 회전수의 차이에 의해 양자의 측정가능범위와 정밀도가 약간 다르다.

B형점도계에 의한 측정결과를 도 3, VT04형점도계에 의한 측정결과를 도 4에 나타낸다.

이들 그림의 횡축은, 수성조성물중의 수분함유량(중량%)과「표준품」에 대한 증감량(중량%)과의 2가지로 표시하였다. 여기서「표준품」이란, 실시예1에서 조제된 수성조성물(수분함유량=18.0중량%)을 가리킨다.

세로축은 점도(mPa·s)를 나타낸다.

또한 실선은 GC#600, 일점쇄선은 GC#800, 파선은 GC#1000을 각각 포함하는 수성절삭액의 측정결과를 나타낸다.

이들 도면에서, 본 발명의 수성절삭액은 전체경향으로서 어느 것이나 수분량의 증가에 따르는 점도저하를 나타내지만, 넓은 수분량 범위에 걸쳐 실용적인 점도를 유지할 수 있는 것을 알았다. 특히 상술한 바와 같은 평균입자지름이 대략 20∼10μm 정도인 연마용 입자를 사용한 경우, 수분량이 35중량%로 광범위하게 변화하더라도, 최고시의 1/3∼1/4정도의 점도를 유지할 수가 있었다.

GC#1000과 같이 입자지름이 비교적 작은 연마용 입자를 사용한 경우에도 상술한 바와 같은 점도안정성을 얻을 수 있는 것은, 예를 들면 반도체 잉곳의 절단에 있어서 실용상 지극히 유리하다. 입자지름이 작은 연마용 입자를 사용한 경우, 큰 연마용 입자에 비교해서 절단속도는 늦게 되지만, 피가공물의 절대(切代)를 감소시킬 수 있기 때문에, 반도체 잉곳 같은 비싼 재료의 절단에는 작은 연마용 입자가 적합하다. 따라서 작은 연마용 입자를 포함하는 수성절삭액의 점도안정성이 향상하는 것은, 가공품질의 향상과 안정화, 및 경제성의 향상에 기여한다. 또한 절삭액의 교환빈도의 저감에도 이어진다.

또한 본 발명의 수성절삭액이 수분량 변화에 의한 점도변화를 일으키기 어려운 것은, 절삭장치의 수세를 가능하게 하는 의미에서도 유리하다.

종래, 예컨대 비수성절삭액을 사용하여 와이어소로 반도체 잉곳을 절단하는 경우는, 비수성절삭액에의 수분혼입에 의한 점도의 급격한 상승을 피하기 위해서, 웨이퍼나 잉곳부착베이스의 세정작업은 와이어소의 장치본체의 밖에서 행하지 않으면 안되었다.

그러나 본 발명의 수성절삭액을 사용하면, 절삭액에 다소의 수분이 혼입하더라도 점도가 거의 안정적으로 유지되기 때문에, 세정작업을 와이어소의 장치 내에서 행하는 것이 가능해지고, 작업효율을 대폭 개선하며, 또한 설비의 점유면적을 삭감할 수가 있다.

《실시예3》

여기서는 본 발명의 수성절삭액에 절삭부스러기의 모델로서 실리콘분말을 혼입시킨 경우의 점도의 변화에 관해서 조사하였다.

사용한 수성절삭액은, 입자지름이 다른 3종류의 연마용 입자 GC#600, GC#800 및 GC#1000을 각각 포함하는「표준품」인 수성조성물에, 0∼30중량%의 비율로 실리콘분말을 혼입시킨 것이다. 이 실리콘분말은, 통상의 실리콘웨이퍼를 분쇄하여 200메쉬의 스텐레스·필터를 투과시킨 것으로, 입도는 75μm 이하이다.

B형점도계에 의한 측정결과를 도 5, VT04형점도계에 의한 측정결과를 도 6에 각각 나타낸다.

이들 그림의 횡축은 실리콘분말혼입량(중량%), 세로축은 점도(mPa·s)를 나타낸다.

또한 실선은 GC#600, 일점쇄선은 GC#800, 파선은 GC#1000을 각각 포함하는 수성절삭액의 측정결과를 나타낸다.

종래의 비수성절삭액은 일반적으로, 피가공물의 절삭부스러기가 3∼4중량% 혼입하면 150∼200%정도의 대폭적인 증점을 생기게 하고 있었지만, 본 발명의 수성절삭액은 혼입량 10∼15중량% 정도까지는 점도의 상승이 70∼130% 정도로 억제되고, 실용상 문제없이 사용할 수 있다는 것을 알았다.

또, 절삭부스러기의 혼입에 의해 증점한 수성절삭액에 대해서는, 정제수를 첨가하여 다시 그 점도를 저하시킬 수 있다.

《실시예4》

여기서는 와이어소와 본 발명의 수성절삭액을 사용하여 실제로 실리콘 잉곳을 절단하고, 그 절단품질을 평가하였다.

우선, 하기의 수성절삭액 A를 조제하였다.

<수성절삭액 A＞

분산매 : 실시예1에서 조제한 수성조성물

연마용 입자 : GC#600, 분산매와 등중량

비 중 : 1.5∼1.6

점 도 : 70±10mPa·s

다음에, 상기의 수성절삭액 A를 사용하여, 지름 8인치, 길이 300mm의 실리콘 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 작성하였다. 이 때의 가공조건 A는 하기와 같다.

<가공조건 A＞

와이어 : 피아노선, 지름 180μm

와이어평균선속 : 500m/분

평균절단속도 : 500μm/분

절삭액의 공급량 : 60∼100리터/분

웨이퍼의 두께 : 860μm

절대(切代) : 240μm

피치 : 1100μm

절단매수 : 272장/잉곳

얻어진 웨이퍼에 관해서, 휘어짐, 웨이퍼중심에 있어서의 두께 격차 및 테이퍼를 평가하였다.

여기서「휘어짐」이란, 웨이퍼를 흡착고정하지 않은 상태에서 최소 제곱법으로 산출된 기준평면으로부터 플러스측과 마이너스측의 쌍방에 생긴 최대변위량의 절대치의 합으로서 정의되는 양(μm)이다.

또한 「테이퍼」란, 오리엔테이션·플랫부에서 6 mm 내측의 1지점, 웨이퍼의 에지로부터 6 mm 안쪽에서 앞의 1지점에서 중심각 90°씩 거리를 둔 3지점 및 웨이퍼중심점의 합계 5점에서의 웨이퍼두께의 최대치와 최소치의 차로서 정의되는 양(μm)이다.

결과를 표1로 정리하였다.

	실시예4	실시예5	비교예1	비교예2
휘어짐 (μm)	15	20	25	30
두께의 격차(μm)	±15	±10	±25	±20
테이퍼 (μm)	20	15	30	25

《실시예5》

여기서는, 실시예4의 수성절삭액 A 대신에, 연마용 입자의 입자지름을보다 작게 한 수성절삭액 B를 사용한 것 이외는, 마찬가지로 실리콘 잉곳을 절단하였다.

수성절삭액 B의 사양은 하기와 같다.

<수성절삭액 B＞

분산매 : 실시예1에서 조제한 수성조성물

연마용 입자 : GC#800, 분산매와 등중량

비 중 : 1.5∼1.6

점 도 : 80±10 mPa·s

가공조건 B는 하기와 같다.

<가공조건 B＞

와이어 : 피아노선, 지름 160μm

와이어평균선속 : 500 m/분

평균절단속도 : 400μm/분

절삭액의 공급량 : 60∼100리터/분

웨이퍼의 두께 : 860μm

절대 : 202μm

피치 : 1062μm

절단매수 : 282장/잉곳

얻어진 웨이퍼의 절단품질에 대해서는, 상기 게재한 표1로 정리하였다.

《비교예1》

상술한 실시예4에 대한 비교로서, 수성절삭액 A 대신에 하기의 비수성절삭액 A를 사용하여, 가공조건 A에 따라 실리콘·잉곳을 절단하였다.

<비수성절삭액 A＞

분산매 : 광물유 98중량%, 분산제 및 계면활성제 2중량%

연마용 입자 : GC#600, 분산매와 등중량

비 중 : 1.5∼1.6

점 도 : 150±50 mPa·s

얻어진 웨이퍼의 절단품질에 대해서는, 상기 게재한 표1에 정리하였다.

《비교예2》

상술한 실시예5에 대한 비교로서, 수성절삭액 B 대신에 하기의 비수성절삭액 B를 사용한 것 외는 같은 가공조건으로 실리콘.잉곳을 절단하였다.

<비수성절삭액 B＞

분산매 : 비수성절삭액 A와 같음

연마용 입자 : GC#800, 분산매와 등중량

비 중 : 1.5∼1.6

점 도 : 200±50 mPa·s

얻어진 웨이퍼의 절단품질에 대해서는, 상기 게재한 표1에 정리하였다.

이상, 실시예4, 5, 비교예1, 2의 결과를 보면, 휘어짐, 두께의 격차, 테이퍼 중 어느 항목에 있어서도, 실시예에 있어서 비교예보다도 안정된 성능을 얻을 수 있는 것이 분명하다. 이것은 비교예1, 2의 비수성절삭액에 비해서 실시예4, 5의 수성절삭액 쪽이, 실리콘절삭부스러기의 혼입에 의한 증점이 적기 때문이다.

또한 실시예4, 5에 있어서는, 세정수용의 배관을 와이어소의 장치본체 내에 설치하고, 절단직후의 웨이퍼나 잉곳부착베이스의 수세를 장치 내에서 행할 수 있었다. 이것은 수분의 혼입에 의한 점도의 감소정도가, 본 발명의 수성절삭액에서는 적기 때문이다.

이렇게 하여 실시예4, 5에서는 절삭액의 교환빈도를 종래의 1/4∼1/5로 감소시킬 수 있었다.

이에 대하여 비교예1, 2에서는 절단 후의 웨이퍼를 장치 밖에서 유기용매 또는 알카리용액을 사용하여 세정할 필요가 있었다. 또한 작업환경에는 오일냄새가 났다.

이상, 본 발명을 5예의 실시예에 근거하여 설명하였는데 본 발명은 이들 실시예에 조금도 한정되는 것이 아니고, 수성조성물의 구성성분이나 각 성분의 함량비, 수성절삭액의 구성성분이나 각 성분의 함량비, 피가공물의 종류, 가공조건 등의 세부에 대해서는 적절한 변경, 선택, 조합이 가능하다.

이상의 설명으로부터도 명백하듯이, 본 발명의 수성조성물은 비교적 저점도이면서 높은 분산성을 갖고 규산콜로이드입자를 분산시킨, 분산매로서 전혀 새로운 개념에 근거하는 것이다. 이 수성조성물은 수성이기 때문에 인화성을 나타내지 않고, 또 함유되어 있는 다가알콜계화합물도 무취이며 분자량이 비교적 낮고 생분해성이 뛰어난 것이기 때문에, 작업환경을 악화시키지 않고, 또한 폐기에 있어서도 지구환경에 임팩트를 주지 않는다.

이러한 수성조성물에 연마용 입자를 분산시킨 본 발명의 수성절삭액은, 원래가 저점도이기 때문에 수분이나 절삭부스러기의 혼입에 의한 점도변화가 느슨하고, 절삭액으로서 수명이 길다. 또한, 자연침강법에 의한 연마용 입자의 회수가 가능하며, 더구나 시간이 경과함에 따라 연마용 입자의 침전층이 형성되더라도 규산콜로이드입자의 개재에 의해 침전층의 하드케이크화가 방지되기 때문에, 침전한 연마용 입자를 용이하게 재분산시킬 수 있다. 이 것은 자원 절약화나 유지관리비용저감의 관점에서 지극히 바람직하다.

본 발명의 수성조성물의 제조방법은, 물과 친수성다가알콜계화합물과, 규산염을 혼합하고, 규산을 생성시킨 제1액을 조제하고, 이것을 친유성다가알콜계화합물을 주체로 하는 제2액과 혼합함에 의해, 상기 규산을 콜로이드로서 안정화시키는 것이며, 특수하고 규모가 큰 장치가 전혀 필요 없이 용이하게 제조할 수가 있다.

또한 본 발명의 수성절삭액은 상기 수성조성물에 연마용 입자를 혼합하는 것만으로 용이하게 제조할 수 있다.

또한 이러한 수성절삭액을 사용하는 본 발명의 절삭방법에 의하면, 해당 수성절삭액의 교환빈도를 내리면서도 안정한 가공품질을 갖고 절삭을 할 수 있고, 절삭가공의 경제성, 신뢰성, 환경보전성을 개선할 수가 있다.

Claims (10)

1. 친수성다가알콜계화합물과, 친유성다가알콜계과, 물을 포함하는 분산매중에 규산콜로이드입자가 분산되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 수성조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성다가알콜계화합물이 에틸렌글리콜인 것을 특징으로 하는 수성조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 친유성다가알콜계화합물이 프로필렌글리콜인 것을 특징으로 하는 수성조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 분산매 중에 있어서 물의 함유량이 5중량% 이상, 50중량% 미만인 것을 특징으로 하는 수성조성물.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 분산매 중에 카르본산 또는 그 유도체의 적어도 한쪽이 포함되는 것을 특징으로 하는 수성조성물.
6. 친수성다가알콜계화합물과, 친유성다가알콜계화합물과, 물을 포함하는 분산매 중에서, 연마용 입자가 규산콜로이드입자와 함께 분산되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 수성절삭액.
7. 물과, 친수성다가알콜계화합물과, 규산염을 혼합하고, 규산을 생성시킨 제1액을 조제하는 공정과, 상기 제1액을, 친유성다가알콜계화합물을 주체로 하는 제2액을 혼합하고, 상기 규산콜로이드입자로서 안정화시키는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 수성조성물의 제조방법.
8. 물과, 친수성다가알콜계화합물과 규산염을 혼합하고, 규산을 생성시킨 제1액을 조제하는 공정과, 상기 제1액을, 친유성다가알콜계화합물을 주체로 하는 제2액을 혼합하여 상기 규산콜로이드입자로서 안정화시킨 수성조성물을 얻는 공정과, 상기 수성조성물에 연마용 입자를 혼합분산시키는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 수성절삭액의 제조방법.
9. 피가공체와 절삭수단을 수성절삭액의 존재 하에 동적으로 접촉시킴으로써 해당 피가공체를 절삭하는 절삭방법으로서, 상기 수성절삭액으로서 친수성다가알콜계화합물과, 친유성다가알콜계화합물과, 물을 포함하는 분산매 중에, 연마용 입자를 규산콜로이드입자와 함께 분산시킨 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 절삭방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 피가공체로서 반도체 잉곳을 절삭하는 것을 특징으로 하는 절삭방법.