KR20180031675A - 경질 재료의 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하기 위한 연마 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마 와이어에 관한 것으로, D5로 나타낸 5% 최소 직경이 5 ㎛ 이상이며, D95로 나타낸 95% 최대 직경이 40 ㎛ 미만인 연마 입자들(32); 및 중앙 코어 상에 연마 입자들을 기계적으로 유지하는 바인더(34)를 포함하되, 상기 바인더의 두께는 Tbo_min 내지 Tbo_max이며, 여기서 Tbo_min 및 Tbo_max는 하기 관계식(Tbo_max = D5 × (1 - Emin/100) 및 Tbo_min = D95 × (1 - Emax/100))에 의해 주어지고, 여기서 Emin 및 Emax는 각각 50% 초과 및 90% 미만이다. 바인더(34)는 비커스 경도계로 450 HV보다 큰 경도를 갖고, 와이어의 밀리미터당 연마 입자들(32)의 개수는 와이어의 적어도 1 ㎞의 길이에 걸쳐 31보다 작고 1보다 크다.

Description

경질 재료의 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하기 위한 연마 와이어

본 발명은 경질 재료로 이루어진 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하기 위한 연마 와이어에 관한 것이다. 본 발명의 다른 주제는 경질 재료로 이루어진 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하는 공정이다.

본 명세서에서, 미소경도가 비커스 경도계로 400 HV보다 크거나 모스 경도계로 4 이상인 경우 재료는 경질인 것으로 간주된다. 잉곳의 경우, 비커스 미소경도는 50 그램중(grams-force)의 부하, 즉 0.49 N의 힘에 대해 표현된다. 다른 요소들의 경우, 당업자는 비커스 표현의 크기가 재료의 두께보다 작도록 측정이 수행되는 재료의 두께의 함수로서 부하를 조절할 필요가 있다는 것을 인지한다.

경질 재료로 이루어진 잉곳의 슬라이스를 절삭하기 위한 공지된 연마 와이어는:

- 0.05 ㎜ 내지 0.15 ㎜의 직경을 갖는 중앙 코어,

- 연마 입자들로서, D5로 나타낸 연마 입자들의 5% 최소 직경이 5 ㎛ 이상이며, D95로 나타낸 연마 입자들의 95% 최대 직경이 40 ㎛ 미만이고, 직경(D5)은 연마 입자들의 5 부피%만이 이 직경(D5)보다 작은 직경을 가지는 것을 의미하며, 직경(D95)은 연마 입자들의 95 부피%가 직경(D95)보다 작은 직경을 가지는 것을 의미하되, 연마 입자의 직경은 쿨터 카운터로 측정되며, 연마 입자와 동일한 부피를 갖는 구의 직경에 대응하는 것인 연마 입자들,

- 중앙 코어 상에 연마 입자들을 기계적으로 유지하는 바인더로, 이 바인더의 두께는 Tbo_min 내지 Tbo_max이며, 여기서 Tbo_min 및 Tbo_max는 하기 관계식(Tbo_max = D5 × (1 - Emin/100) 및 Tbo_min = D95 × (1 - Emax/100))에 의해 주어지고, 여기서 Emin 및 Emax는 각각 50% 초과 및 90% 미만인 것인 바인더를 포함한다.

예를 들어, 다음은 종래 기술에 공지되어 있다:

- WO2014/184456A1,

-　WO2014/004991A1,

-　WO2011/014884A1.

연마 와이어의 성능 품질을 판단하기 위한 중요한 기준 중 하나는 슬라이스의 절삭 정밀도이다. 슬라이스의 절삭 정밀도는 절삭된 슬라이스의 최대 두께 변동과 정반대이다. 다시 말하면, 절삭된 슬라이스의 두께 변동이 낮을수록, 연마 와이어가 더 정밀한 것으로 간주된다.

본 발명은 보다 정밀한 절삭 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 본 발명의 주제는 청구항 제1항에 따른 절삭 와이어이다.

본 출원인은 청구된 연마 와이어의 상이한 특징들의 조합이 이와 같은 와이어로 절삭된 슬라이스들의 두께 변동을 적어도 10%, 통상적으로는 20%를 초과하여 감소시킬 수 있게 한다는 것을 발견하였다. 이러한 결과는 종래 기술의 교시에 반하므로 더욱더 놀라운 것이다. 예를 들어, 출원 WO2014/004991A1의 표 8의 실험 결과에 의하면, 최악의 총 두께 변동(TTV)은 밀리미터당 연마 입자들의 최저 밀도로 얻어진다(WO2014/004991A1의 306 또는 310 섹션 참조). 게다가, 이 같은 문헌은 연마 입자들의 밀도가 총 두께 변동에 큰 영향을 미치지는 않지만, 연마 입자들의 밀도의 증가는 절삭 와이어의 수명을 개선한다는 것을 명시적으로 나타낸다(309 섹션).

현재, 출원 회사는 청구된 와이어의 절삭력이 절삭 장치에서의 사용 중에 전체 길이에 걸쳐 실질적으로 불변 유지된다는 사실에서 슬라이스의 두께 변동의 감소가 기인한다는 것을 고려한다. 이 와이어의 절삭력의 이러한 균일성은, 본 발명자의 현재 지식 상태에서, 두 상호보완적 현상의 조합에 의해 설명될 수 있는 것으로 보인다.

한편으론, 보통 사용되는 것보다 더 경질의 바인더의 사용은 연마 입자들이 잉곳을 연삭할 때 절취되는 정도를 제한한다.

다른 한편으론, 절삭 장치에서, 연마 와이어는 일 방향으로 및 이후 반대 방향으로 교대로 변위되어, 전후 이동을 달성한다. 이를 위해, 와이어는 권출 보빈 상에 권취되거나 교번적으로 권출된다. 연마 와이어의 턴들은 권출 보빈 상에서 서로 마찰되고, 이는 와이어를 현저히 마모시킨다. 이는 연마 와이어의 각각의 턴이 다른 인접한 턴들의 연마 입자들과 직접 마찰되기 때문이다. 밀리미터당 연마 입자들의 개수를 제한함으로써, 인접한 턴들의 연마 입자들 상의 턴들의 이러한 마찰은 인접한 턴들이 더 적은 수의 연마 입자들을 포함하기 때문에 제한된다. 그 결과, 이는 밀리미터당 연마 입자들의 개수를 감소시키는 것이 더 장시간 동안 절삭력을 불변 유지할 수 있게 한다는 것을 설명할 수 있다.

이 연마 와이어의 구현예들은 종속항들의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

연마 와이어의 이 구현예들은 추가로 하기 이점을 보인다:

- 밀리미터당 25개보다 더 적은 수의 연마 입자를 사용하는 것은 절삭된 슬라이스들의 두께 변동을 더 많이 감소시킬 수 있게 하고, 잉곳을 절삭하는 와이어의 평행한 부분들 사이의 동일한 간격에 대해 얻어지는 슬라이스들의 평균 두께를 증가시킬 수 있게 한다.

- 비커스 경도계로 500 HV보다 큰 경도를 갖는 바인더를 사용하는 것은 절삭된 슬라이스들의 두께 변동을 더 많이 감소시킬 수 있게 한다.

- 직경(D95)이 25 ㎛보다 작은 연마 입자들을 사용하는 것은 절삭된 슬라이스들의 두께 변동을 더 많이 감소시킬 수 있게 한다.

- 다결정 다이아몬드를 사용하는 것은 와이어의 절삭력을 개선할 수 있게 하고, 절삭된 슬라이스들의 두께 변동을 더 많이 감소시킬 수 있게 한다.

본 발명의 다른 주제는 청구된 연마 절삭 와이어를 이용하여 슬라이스를 절삭하는 공정이다.

본 공정의 구현예들은 종속항의 특징을 포함할 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 단지 비제한적 예로 주어진 후술하는 설명을 숙독함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 경질 재료로 이루어진 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 장치에서 사용되는 연마 절삭 와이어의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 연마 절삭 와이어의 일부의 개략적인 측면도이다.
도 4는 도 1의 장치를 이용하여 경질 재료로 이루어진 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하는 공정의 흐름도이다.
도 5는 도 1의 장치를 이용하여 절삭된 슬라이스의 개략적인 평면도이다.
이들 도면에서, 동일한 참조부호들이 동일한 요소들을 가리키도록 사용된다.

이하의 설명에서는, 당업자에게 잘 알려진 특징들 및 기능들을 상세히 설명하지 않는다.

도 1은 잉곳(4)을 미세한 슬라이스로 절삭하기 위한 장치(2)를 나타낸다. 잉곳(4)은 경질 재료의 블록, 통상적으로 평행 육면체 블록이다. 예를 들어, 경질 재료는 단결정 또는 다결정 실리콘이거나, 또한 사파이어 또는 탄화규소이다. 이 경우, 잉곳(4)은 단결정 실리콘의 블록이다. 이 잉곳(4)은 수평 방향(Y)에 평행하게 연장된다. 도 1은 직각 표지(XYZ)와 관련하여 배향되는데, X와 Y는 수평 방향, Z는 수직 방향이다.

얇은 슬라이스는 통상적으로 5 ㎜, 일반적으로 1 ㎜보다 작은 두께를 갖는 슬라이스를 가리킨다. 이들 슬라이스는 웨이퍼라는 용어로 더 잘 알려져 있다.

이와 같은 슬라이스를 절삭하기 위한 장치는 잘 알려져 있고, 본 발명을 이해하는 데에 필요한 상세만을 이에 제공한다. 예를 들어, 이와 같은 장치에 관한 추가적인 정보를 위해, 출원 US20120298091을 참조할 수 있다.

장치(2)는:

- 잉곳(4)의 상부를 연삭하는 연마 와이어(10),

- 와이어(10)가 잉곳(4)을 절삭할 때 이 잉곳(4)을 수직 변위시키는 액추에이터(12),

- 와이어(10)가 권취 및 권출되는 보빈들(14, 16), 및

- 보빈들(14, 16)을 각각 회전 구동하기 위한 모터들(18, 20)을 포함한다.

와이어(10)는 마찰 또는 연마에 의해 잉곳(4)을 절삭하기 위한 것이다. 와이어(10)의 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명된다. 이 와이어(10)의 길이는 일반적으로 100 m 또는 1000 m보다 크고 대개는 100 ㎞보다 작다. 잉곳(4)의 절삭 구역에서, 와이어(10)의 여러 부분이 서로 평행하게 되어 잉곳(4)을 동시에 연삭하도록, 와이어(10)는 도 1에 나타내지 않은 와이어 가이드들의 주위에 끼워진다. 이후, Y 방향으로의 와이어(10)의 2개의 연속적으로 평행한 부분들 사이의 공간은 절삭된 슬라이스의 두께를 정의한다.

모터들(18, 20)은 가끔은 일 방향으로 가끔은 타 방향으로 보빈들(14, 16)을 회전 구동하고, 그에 따라 와이어(10)는 전후 운동을 수행한다. 각각의 보빈(14, 16)은 일반적으로 이 보빈의 반경 방향을 따라 서로 직접 적층되는 여러 턴의 와이어(10)를 포함한다.

와이어(10)는 보빈들(14, 16) 사이에서 기계적으로 인장을 받는다. 이 경우, 장치(2)는 추가로 와이어(10)의 인장을 조절하기 위한 메커니즘들(22, 24)을 포함한다. 예를 들어, 이 메커니즘들(22, 24)은 보빈들(14, 16)에 권선되는 와이어(10)의 인장을 조절할 수 있게 한다. 이 메커니즘들(22, 24)은 예를 들어 출원 US20120298091에 기재된 것들과 동일하다.

도 2 및 도 3은 와이어(10)를 보다 상세히 나타낸다. 이는 중앙 코어(30)를 포함하되, 바인더(34)에 의해 중앙 코어 상에 유지되는 연마 입자들(32)이 그 외주 상에 고정되어 있다.

통상적으로, 중앙 코어(30)는 2000 MPa 또는 3000 MPa보다 크고 일반적으로 5000 MPa보다 작은 인장 강도를 보이는 단일 와이어의 형태로 구비된다. 코어(30)의 파단신율은 1%, 바람직하게는 2%보다 크다. 반면에, 코어(30)의 파단신율은 과도하게 높지 않아야 하며, 예를 들어 10% 또는 5% 미만으로 유지되어야 한다. 이 경우의 파단신율은 파괴되기 전의 코어(30)의 길이의 증가를 나타낸다.

이 구현예에서, 코어(30)는 원형 단면을 갖는다. 예를 들어, 코어(30)의 직경은 50 ㎛ 내지 150 ㎛, 종종 70 ㎛ 내지 150 ㎛이다. 이 예에서, 코어(30)의 직경은 120 ㎛와 같다. 이 경우, 코어(30)는 전기 전도성 재료로 이루어진다. 저항률이 20℃에서 10^-5 Ω.m보다 작은 경우 재료는 전기 전도성인 것으로 간주된다. 예를 들어, 코어(30)는 탄소강 또는 페라이트계 스테인리스강 또는 황동-코팅 강과 같은 강으로 이루어진다. 이 예에서, 코어(30)는 0.8 중량%의 탄소를 포함하는 강으로 이루어진다. 코어(4)의 선밀도(m)는 예를 들어 10 mg/m 내지 500 mg/m, 바람직하게는 50 mg/m 내지 200 mg/m이다.

연마 입자들(32)은 절삭될 재료를 부식시킬 치형부를 코어(30)의 표면에 형성한다. 그러므로, 이 연마 입자들은 절삭될 재료보다 더 단단해야 한다. 통상적으로, 연마 입자들은 절삭될 잉곳보다 적어도 30 HV 또는 100 VH 더 큰 경도를 보인다. 이를 위해, 각각의 연마 입자는 비커스 경도계로 430 HV보다 큰 경도, 바람직하게는 1000 HV 이상의 경도를 갖는 재료로 형성된다. 모스 경도계로, 이 재료의 경도는 7 또는 8보다 크다. 통상적으로, 이 재료는 연마 입자의 부피의 80% 또는 90% 초과를 나타낸다. 예를 들어, 입자들(32)은 다이아몬드이다. 바람직하게는, 이 다이아몬드는, 출원 WO2011014884에 기재되고 Sandvik Hyperion®에 의해 판매되는 것과 같은, "하이페리온(Hyperion)"으로 지칭되는 단결정 다이아몬드 또는 레진 본드(RB) 다이아몬드"로 종종 나타내는 다결정 다이아몬드이다. 연마 입자의 경도는 화학적 조성 및 결정 구조로부터 그리고 상이한 광물들의 경도와 관련하여 공개된 데이터에 따라 추정될 수 있다.

이 구현예에서, 입자들(32)은 하이페리온 다이아몬드이다. 이 하이페리온 다이아몬드는 하기 특징을 보인다:

- 단결정이다,

- 표면 조도가 0.6 내지 0.8이다,

- 진구도가 0.25 내지 0.5이다.

표면 조도 및 진구도는 출원 WO2011014884에 정의되어 있다. 표면 조도는 클레멕스 이미지 분석기(Clemex Vision User's Guide PE 3.5 ⓒ2001)에 의해 나타낸 바와 같이 이차원 이미지에서의 물체의 리지 또는 이 물체의 에지 상의 홀 및 피크량의 측정치라는 것을 이에 간단히 상기해야 한다. 표면 조도는 볼록한 둘레 대 진정한 둘레의 비에 의해 결정된다. 진구도는 이차원 이미지에서의 둘레 제곱에 대한 물체의 표면적이다. 이러한 특성으로 인해, 하이페리온 다이아몬드는 RB 다이아몬드보다 큰 비표면을 보인다. 비표면은 하나의 같은 배치(batch)에 대해 다이아몬드들의 외부 표면적의 합을 이 다이아몬드들의 중량의 합으로 나눈 값과 같다.

입자들(32)의 크기는 확률 법칙에 따라 분포된다. 이 경우, 입자들(32)의 크기는:

- D5로 알려져 있는 입자들(32)의 5% 최소 직경이 5 ㎛보다 크고,

- D95로 알려져 있는 입자들(32)의 95% 최대 직경이 40 ㎛보다 작으며 코어(30)의 직경의 1/3보다 작도록 분포된다.

직경(D95)은 와이어(10)의 입자들(32)의 95 부피%가 D95보다 작은 직경을 갖게 하는 값이다. 다시 말하면, 와이어(10)의 입자들(32)의 5 부피%만이 D95보다 큰 직경을 갖는다. 직경(D5)은 와이어(10)의 입자들(32)의 5 부피%만이 D5보다 작은 직경을 갖게 하는 값이다. 다시 말하면, 와이어(10)의 입자들(32)의 95 부피%가 D5보다 큰 직경을 갖는다. 입자들(32)의 직경은 쿨터 카운터를 이용하여 측정된다. 측정 방법은 표준 ISO　13319:2000 "입자 크기 분포의 결정-전기적 감지 구역 방법" 또는 개정된 표준 ISO　13319:2007에 기재되어 있다. 와이어로부터 연마 입자들을 분리하기 위해, 와이어는 질산을 포함하는 수용액에 침지된다. 바인더 및 코어의 금속이 용해되는 동안, 불용성 연마 입자들이 해제된다. 이들은 이어서 추출되고 세척된 후에 입자 크기 분포가 측정된다. 도시되는 직경은 쿨터 카운터에 의한 입자 크기 분석 중에 동일하게 거동하는 구의 직경에 대응한다.

바람직하게는, 직경(D95)은 30 ㎛ 또는 25 ㎛보다 작다. 예를 들어, 유리하게는, 직경(D5)은 8 ㎛보다 크고, 직경(D95)은 25 ㎛ 또는 30 ㎛ 이하이다. 이 경우, 직경(D5)은 12 ㎛와 같고, 직경(D95)은 25 ㎛와 같다.

와이어(10)의 연마 입자들의 밀도는 이 경우 와이어의 밀리미터당 연마 입자들의 개수로 표현된다. 연마 입자들의 이러한 밀도는 하기 방법에 따라 측정된다:

1) 1 ㎜보다 큰 길이를 갖는 적어도 4개의 시료가 와이어(10)로부터 인출된다. 이 시료들은 잉곳(4)을 절삭하는 데에 사용되는 와이어의 작업 부분으로부터 인출되고, 바람직하게는 이 작업 부분에 걸쳐 균일하게 분포되는 장소들에서 인출된다.

2) 각각의 시료는 지지구에 삽입된다. 지지구는:

- 시료의 정면을 전자 또는 광학 현미경과 같은 관찰 장치에 노출하는 동안 이 시료를 유지하고,

- 이제까지 숨겨진 시료의 배면을 관찰하기 위해 시료가 종축을 중심으로 180도 피벗될 수 있게 한다.

3) 길이(L)를 갖는 시료의 일부가 선택되되, L은 0.9 ㎜ 이상, 일반적으로 1 ㎝ 또는 10 ㎝ 이하의 길이이다. 이어서, 이 선택된 부분의 정면에서 보이는 연마 입자들(32)의 개수가 카운트된다. 양측에서 보이는 연마 입자들, 즉 이미지가 시료의 에지로부터 돌출된 연마 입자들을 두 번 카운트하지 않기 위해, 양측에서 보이는 이 연마 입자들은 카운터를 단지 0.5씩 증가시키는 반면, 정면에서만 보이는 연마 입자들은 같은 카운터를 1씩 증가시킨다. 도 3에는, 양측에서 보이는 2개의 연마 입자(32A)가 도시되어 있다. 이러한 카운트 중에, 여러 연마 입자들의 덩어리 또는 무리는 하나로만 카운트된다. 도 3에는, 연마 입자들의 이와 같은 덩어리(32B)가 도시되어 있다. 이와 같은 덩어리에서, 상이한 연마 입자들(32)을 덮는 바인더 층들이 서로 직접 기계적으로 접촉하고, 그에 따라 조립체는 단 하나의 연마 입자를 형성한다.

4) 선택된 부분에서의 다이아몬드들의 개수가 이번에는 배면측에서 카운트된다. 이를 위해, 시료가 종축을 중심으로 180도 피벗되게 한 후에, 이 시료의 배면에 대해, 3)에서와 동일한 방식으로 과정을 수행한다.

5) 정면 및 배면에서 카운트된 연마 입자들의 누적된 총 개수를, ㎜ 단위로 표현되는 선택된 부분의 길이(L)로 나눔으로써, 이 시료에 대한 연마 입자들의 밀도를 얻는다.

6) 와이어(10)의 연마 입자들의 밀도는 각각의 시료 상에서 측정되는 연마 입자들의 밀도의 평균과 같은 것으로 간주된다.

와이어(10)의 입자들(32)의 밀도는 밀리미터당 31개의 연마 입자 또는 밀리미터당 25개의 연마 입자보다 적다. 입자들(32)의 밀도는 밀리미터당 1개의 연마 입자보다 크다. 바람직하게는, 연마 입자들의 이러한 밀도는 밀리미터당 5개의 연마 입자 내지 밀리미터당 25개 또는 31개의 연마 입자이다. 유리하게는, 이 밀도는 밀리미터당 20개의 연마 입자 내지 밀리미터당 25개 또는 31개의 연마 입자이다. 산업용 절삭 장치는 통상적으로 적어도 1 ㎞의 연마 와이어, 종종 적어도 2 ㎞의 연마 와이어를 필요로 한다. 그 결과, 와이어(10)의 입자들(32)의 밀도는 적어도 1 ㎞ 또는 2 ㎞ 길이의 와이어(10)의 연속적인 작업 부분에 걸쳐 상기에 주어진 밀도 범위 내에서 유지된다. 통상적으로, 와이어(10)의 이 작업 부분에서, 입자들(32)의 밀도는 약 ±5% 또는 ±10% 이내까지 불변한다. 게다가, 바람직하게는, 이 작업 부분은 와이어(10)의 총 길이의 적어도 50% 또는 80% 또는 90%를 나타낸다.

바인더(34)의 역할은 연마 입자들(32)을 코어(30)에 자유도 없이 고정된 상태로 유지하는 것이다. 바인더(34)는 금속 바인더로, 이들 바인더는 수지보다 단단하므로, 코어(30) 상에 연마 입자들을 보다 효과적으로 유지할 수 있게 한다. 따라서, 바인더(32)의 경도는 비커스 경도계로 450 HV 또는 500 HV보다 크다. 이를 위해, 이 경우, 바인더는 출원 FR3005592에 기재된 바와 같은 니켈과 코발트의 합금이다. 예를 들어, 이는 20 중량% 내지 40 중량%의 코발트를 포함한다. 이 예에서, 바인더(34)는 70%의 니켈 및 30%의 코발트를 포함하되, 이 비율은 바인더의 중량과 관련하여 주어진다. 이후, 바인더(32)의 경도는 약 ±10% 이내까지 비커스 경도계로 650 HV와 같다.

예를 들어, 실제로, 바인더의 경도는 표준 ISO　14577-1:2002 및 ISO　14577-4:2007의 권고를 따름으로써 계장화 나노인덴테이션에 의해 측정된다. 그러나, 인상(impressions)이 일반적으로 바인더의 에지에 너무 가깝게 위치하므로, 이들 표준을 엄격히 따를 수 없다. 이후, 얻어지는 경도는 GPa로 표현된다. 이 GPa 값은 올리버와 파르의 모델을 기록되는 가부하 및 감부하 곡선에 적용함으로써 비커스 경도로 변환된다. 이러한 이유로, 그램중의 부하가 비커스 경도의 표현에서 주어지지 않는다. 이 경우, 나노인덴테이션에 의한 측정을 위해, 베르코비치 관통자, 10 mN의 힘, 및 15초의 지속시간이 채택되었다.

바인더(34)의 두께는 Emin 내지 Emax의 연마 입자들의 노출을 갖도록 선정되는데, Emin은 단연코 Emax보다 작다. 이를 위해, 바인더(34)의 두께는 Tbo_min 내지 Tbo_max이다. 이 경우, Emin은 50% 이상, 바람직하게는 65% 이상이고, Emax는 90% 이하이다. 연마 입자의 노출(E)의 산출은 출원 WO2011014884에 도 3b를 참조하여 기재되어 있다. 입자의 노출(E)은 하기 관계식에 의해 주어진다는 것을 이에 상기해야 한다:

E = 100*(Tco - Tbo)/Tc, 여기서:

- Tco는 코어(30)의 표면으로부터 가장 멀리 있는 입자(32)의 정점과, 반경 방향을 따라 이 정점에서 코어(30)의 표면까지의 돌출부 사이의 최단 거리이고,

- Tbo는 바인더(34)의 두께이다.

이 경우, 입자들(32)의 최소 노출(Emin)은, Tco를 직경(D5)과 같은 것으로 간주하고, 바인더(34)의 두께를 최대치, 즉 Tbo_max와 같은 것으로 간주함으로써 산출된다. 그러므로, 최소 노출(Emin)을 관찰할 수 있게 하는 바인더(34)의 최대 두께(Tbo_max)는 하기 관계식(Tbo_max = D5*(1 - Emin/100))에 의해 주어진다. 마찬가지로, 입자들(34)의 최대 노출(Emax)은, Tco를 직경(D95)과 같은 것으로 간주하고, 바인더(34)의 두께를 최소치, 즉 Tbo_min과 같은 것으로 간주함으로써 산출된다. 이후, 최대 노출(Emax)을 관찰할 수 있게 하는 바인더(34)의 최소 두께는 하기 관계식(Tbo_min = D95*(1 - Emax/100))에 의해 주어진다. 바인더(34)의 두께는 Tbo_min과 Tbo_max 사이에서 선정된다. 따라서, 직경(D5, D95)이 각각 8 ㎛ 및 16 ㎛와 같은 연마 입자들의 경우, 50% 내지 90%의 평균 노출을 얻기 위해, 바인더의 두께는 1.6 ㎛와 4 ㎛ 사이에서 선정된다. 직경(D5, D95)이 각각 12 ㎛ 및 25 ㎛와 같은 입자들(32)의 경우, 60% 내지 90%의 평균 노출을 얻기 위해, 바인더(34)의 두께는 2.5 ㎛와 4.5 ㎛ 사이에서 선정된다. 추후에 수행되는 테스트의 경우, 바인더(34)의 두께는 항상 4 ㎛와 같게 선정된다.

바인더의 두께는 입자들(32) 사이의 평균 두께를 가리킨다. 예를 들어, 바인더(34)의 두께를 측정하기 위해, 와이어(10)는 그 길이를 따라 분포되는 적어도 4개의 상이한 장소에서 횡방향으로 절삭된다. 그러므로, 도 2에 나타낸 것과 유사한 와이어(10)의 4개의 횡단면이 얻어진다. 이러한 단면들 각각에서, 바인더(34)의 두께는 적어도 4개의 점에서 측정된다. 측정점들은 입자들(32) 사이에 위치한다. 바람직하게는, 이 측정점들은 단면의 외주에 걸쳐 균일하게 분포된다. 예를 들어, 각각의 측정점에서, 두께는 전자 현미경을 이용하여 측정된다. 이는 코어(30)와 바인더(34) 사이의 경계가 단면 상에서 보이기 때문이다. 이어서, 바인더(34)의 두께는 각각의 단면들 상에서 얻어지는 모든 측정치들의 평균과 같은 것으로 간주된다.

이 구현예에서, 바인더(34)는 전기분해에 의해 2개의 연속층(36, 38)으로 증착된다. 층(36)의 두께는 낮다. 이는 예를 들어 연마 입자들의 중앙 직경의 1/3보다 작다. 이 층(36)은 중앙 코어(30)에 입자들(32)을 단지 약하게 고정할 수 있게 한다.

층(38)은 더 큰 두께를 갖는다. 예를 들어, 층(38)의 두께는 반경 방향으로 층(36)의 두께의 1.5배 또는 2배이다.

이 층(38)은 와이어(10)가 잉곳(4)을 절삭하는 데에 사용될 때 연마 입자들(32)의 절취를 방지할 수 있게 한다.

와이어(10)는 예를 들어 출원 FR2988629에 기재된 바와 같이 제조된다.

이하에서는, 장치(2)를 이용하여 잉곳(4)을 절삭하는 공정이 도 4의 공정을 참조하여 설명될 것이다.

먼저, 와이어(10)의 대부분은 보빈(14)에 권취되어 있다.

단계(50) 중에, 모터들(18, 20)을 제어하여, 보빈(14)으로부터 길이(L1)의 와이어(10)를 푸는 동시에, 보빈(16) 주위에 길이(L1)의 와이어(10)를 감는다. 이후, 와이어(10)를 방향(X)으로 변위시킨다.

단계(52) 중에, 길이(L1)의 와이어(10)가 보빈(14)으로부터 풀린 후에, 모터들(18, 20)의 제어를 반전시켜서, 이번에는 보빈(16)으로부터 길이(L2)의 와이어(10)를 푸는 동시에, 보빈(14) 주위에 길이(L2)의 와이어(10)를 감는다. 따라서, 단계(52) 중에, 와이어(10)를 방향(X)과 반대 방향으로 변위시킨다.

길이(L2)의 와이어(10)가 보빈(14)에 감겼을 때, 단계(52)를 중단하고, 공정은 단계(50)로 되돌아간다.

일반적으로, 길이(L2)는 길이(L1)보다 짧고, 그에 따라 단계(50)의 각각의 실행 시에, 길이(L1-L2)의 새로운 와이어가 두 보빈들(14, 16) 사이에 주입된다. 통상적으로, L2와 L1의 차는 와이어(10)의 길이의 2% 또는 1.5%보다 작다. 이 경우, 이러한 차는 대략 ±10% 이내까지 와이어(10)의 길이의 1%와 같다.

단계들(50, 52)의 각각의 실행 중에, 와이어(10)는 잉곳(4)을 연삭하고, 그 결과 점차적으로 쏘우 컷(saw cut)이 연마에 의해 이 잉곳의 상면에 형성된다.

단계들(50, 52)과 병행하여, 단계(54) 중에, 액추에이터(12)는 잉곳(4)과 와이어(10) 사이의 양호한 기계적 접촉을 유지하기 위해 방향(Z)으로 잉곳(4)을 전진시킨다.

또한 병행하여, 단계(56) 중에, 메커니즘들(22, 24)은 와이어(10)의 기계적 인장을 기계적 인장 설정점(CT)까지 완화한다. 바람직하게는, 이 설정점(CT)은 보빈들(14, 16) 상의 와이어(10)의 인장이 이 와이어(10)가 견디는 파괴전 최대 인장의 절반 이하가 되도록 선정된다. 예를 들어, 이에 설명된 와이어(10)의 경우, 파괴전 최대 인장은 대략 ±15% 이내까지 43 N이다. 따라서, 기계적 인장 설정점은 21.5 N 미만으로 선정된다. 이는 와이어(10)의 수명을 증가시킬 수 있게 한다.

와이어(10)가 실제로 절삭된 슬라이스들의 두께 변동을 감소시킬 수 있게 한다는 것을 확인하기 위해, 테스트를 수행하였다. 이러한 테스트의 경우, 사용되는 장치(2)는 Takatori®에 의해 판매되는 WSD-K2 레퍼런스를 지닌 장치이다.

와이어(10)에 의해 절취되는 실리콘 그레인을 배출하기 위해 사용되는 윤활제는 순수(pure water)이다.

잉곳(4)은 156 ㎜의 측면 길이를 갖는 정사각형 단면을 갖는 단결정 실리콘 평행 육면체이다.

절삭 구역에서의 와이어(10)의 2개의 연속적으로 평행한 부분들의 축들 사이의 간격은 700 ㎛이다. 이는 대략 550 ㎛의 두께로 슬라이스를 절삭할 수 있게 한다.

절삭 구역에서의 와이어(10)의 인장은 15 N으로 조절된다.

잉곳(4)의 수직 변위 속도는 0.75 ㎜/분으로, 이는 정상 상태 조건 하에서의 절삭 속도에 대응한다.

길이(L1, L2)는 각각 116.6 m 및 115.4 m와 같다.

단계들(50, 52) 중의 와이어(10)의 변위 속도는 500 m/분이다.

각각의 테스트에서, 잉곳(4)의 4개의 슬라이스가 동시에 절삭된다. 각각의 테스트의 경우, 하기 물리량이 측정되었다:

- 총 두께 변동(TTV)으로 더 잘 알려진 슬라이스의 두께 변동(㎛로 표현됨),

- 3시간 15분 동안 절삭 후 도달한 연마 와이어의 최대 편향(㎜로 표현됨),

- 슬라이스의 평균 두께(㎛로 표현됨),

- 연마 와이어의 절삭력(K; m²/N으로 표현됨).

슬라이스의 두께 변동은 다음과 같이 측정된다:

1) 절삭된 슬라이스의 두께가 13개의 상이한 점에서 측정된다. 각각의 측정점의 위치는 도 5에 검은 점으로 나타나 있다.

2) 슬라이스의 두께 변동은 1) 단계 중에 이 슬라이스 상에서 측정되는 두께의 최대치와 최소치 사이의 차와 같은 것으로 간주된다.

3) 두께 변동(TTV)은 동시에 절삭되는 4개의 슬라이스 각각에서 측정되는 두께 변동의 평균과 같은 것으로 간주된다.

편향은:

- 이 와이어를 이용하여 3시간 15분 동안 잉곳(4)을 절삭한 후에 잉곳(4)의 수직 에지 상에서 측정되는 방향(Z)으로의 와이어의 최대 높이와,

- 동일한 위치 및 동일한 조건의 그러나 잉곳(4)의 부재 시의 와이어의 높이 사이의 거리이다. 이러한 편향은 와이어의 절삭력(K)을 나타낸다. 이는 와이어의 절삭력이 증가함에 따라 더 작아진다.

절삭력(K)은 하기 관계식에 의해 정의된다:

K　=　Q/(F ×　V), 여기서:

- Q는 톱질한 재료의 처리량이며,

- F는 톱질한 재료의 표면에 수직으로 와이어에 의해 인가되는 힘이고,

- V는 와이어의 속도이다.

톱질한 재료의 처리량(Q)은 예를 들어 하기 관계식에 의해 주어진다:

Q = V_z × Y × C, 여기서:

- C는 잉곳(4)의 폭이며,

- Y는 쏘우 컷의 폭이고,

- V_z는 잉곳(4)의 수직 절삭 속도이며,

- 기호 "×"는 곱셈 기호이다.

속도(V_z)는 정상 상태 조건 하에서 방향(Z)으로의 잉곳(4)의 변위 속도와 대략 같다. 즉, 이 경우 0.75 ㎜/분과 같다.

첫 번째 테스트는 하기 표 1에서 "레퍼런스"로 나타낸 와이어로 수행되었다. 이 와이어는 레퍼런스 EcoMEP® 120 10-20HC로 Asahi에 의해 판매되는 와이어이다. 중앙 코어의 직경은 120 ㎛와 같다. 연마 입자들은 직경(D5, D95)이 각각 10 ㎛ 및 20 ㎛와 같게 하는 크기 분포를 갖는 다이아몬드이다. 바인더는 니켈이며, 그 경도는 비커스 경도계로 대략 430 HV이다. 바인더의 두께는 4 ㎛이다. 연마 입자들의 밀도는 밀리미터당 56개의 연마 입자이다.

두 번째 및 세 번째 테스트는 하기를 제외하면 와이어(10)와 동일한 와이어로 수행되었다:

- 연마 입자들은 직경(D5)이 10 ㎛와 같고 직경(D95)이 22 ㎛와 같게 하는 크기 분포를 갖는 RB 다이아몬드이고

- 연마 입자들의 밀도는 두 번째 테스트의 경우 밀리미터당 92개의 연마 입자이며, 세 번째 테스트의 경우 밀리미터당 21개의 연마 입자이다.

표 1에서, 이 와이어는 "RB 12-22"로 나타낸다.

네 번째 내지 열 번째 테스트는 와이어(10)와 동일한 와이어로 수행되었지만, 연마 입자들의 밀도가 밀리미터당 41개의 연마 입자에서 밀리미터당 5개의 연마 입자까지 점차적으로 감소되었다. 표 1에서, 이 7개의 연마 와이어는 레퍼런스 "Hyp 12-25"로 나타내며, 밀리미터당 연마 입자수를 포함하는 열들만이 이들을 서로 구별될 수 있게 한다.

이 9번의 테스트 중에 얻어진 실험 결과가 표 1에 요약되어 있다. 연마 입자들의 밀도가 밀리미터당 31개의 연마 입자, 바람직하게는 밀리미터당 25개의 연마 입자보다 적어지자마자 절삭된 슬라이스들의 두께 변동의 뚜렷한 감소가 일어난 것으로 밝혀졌다. 또한, 와이어의 절삭력(K)을 실질적으로 수정함 없이, 절삭된 슬라이스들의 두께 변동의 감소가 얻어진 것으로 밝혀졌다.

추가 테스트에 의하면, 연마 입자들의 밀도가 밀리미터당 31개의 연마 입자보다 적은 경우, 하이페리온 다이아몬드를 RB 또는 MB(금속 결합) 다이아몬드와 같은 다른 유형의 다이아몬드로 교체 시에, 두께 변동의 이러한 감소가 또한 얻어졌다. 또한, 다른 테스트에 의하면, 연마 입자들의 밀도의 감소가 와이어(10)에 대해 설명된 바와 같이 바인더 두께와 결합될 때에만, 두께 변동의 이러한 감소가 얻어졌다. 최종적으로, 이에 설명된 바는 밀리미터당 1개의 연마 입자의 밀도에서도 마찬가지이지만 그 미만에서는 아니라는 점이 또한 확립되었다.

연마 입자들로 하이페리온 다이아몬드를 사용하는 것은 MB(금속 결합) 다이아몬드로 얻어지는 것보다 큰 절삭력(K)을 얻을 수 있게 한다. MB 다이아몬드 및 하이페리온 다이아몬드는 단결정 다이아몬드이다. 세 번째 테스트에 나타낸 바와 같이, 다결정인 RB 다이아몬드가 또한 놀랍게도 하이페리온 다이아몬드로 얻어지는 것보다 큰 절삭력(K)을 얻을 수 있게 한다.

수 많은 다른 구현예가 가능하다. 예를 들어, 다른 금속 바인더들이 연마 와이어를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 따라서, 니켈, 철, 및 코발트와 같은 재료들 또는 상기 재료들의 합금이 바인더의 중량의 적어도 90 중량%를 구성하는 바인더를 사용하는 것이 또한 가능하다. 있을 수 있는 바인더들의 다른 예들이 출원 FR3005592 또는 FR3005593에 기재되어 있다.

바인더(34)는 단일 층 또는 2개 이상의 층으로 증착될 수 있다.

코어(30)는 함께 꼬아 합쳐진 여러 가닥으로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 코어(30)는 강 외의 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 코어(30)는 또한 반자성 또는 상자성 재료로 이루어질 수 있다.

다른 유형의 연마 입자들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 연마 입자들은 다이아몬드 외의 재료로 이루어질 수 있다. 그러므로, 이들은 또한 SiC, SiO₂, WC, Si₃N₄,질화붕소, CrO₂, 또는 산화알루미늄으로 이루어질 수 있다. 연마 입자들은 또한 출원 WO2013149965A에 기재된 바와 같이 코팅으로 덮일 수 있다. MB 다이아몬드와 같은 단결정 다이아몬드가 또한 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 경질 재료로 이루어진 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하기 위한 연마 와이어로,
   - 0.05 ㎜ 내지 0.15 ㎜의 직경을 갖는 중앙 코어(30),
   - 연마 입자들(32)로서, D5로 나타낸 상기 연마 입자들의 5% 최소 직경이 5 ㎛ 이상이며, D95로 나타낸 상기 연마 입자들의 95% 최대 직경이 40 ㎛ 미만이고, 상기 직경(D5)은 상기 연마 입자들의 5 부피%만이 상기 직경(D5)보다 작은 직경을 가지는 것을 의미하며, 상기 직경(D95)은 상기 연마 입자들의 95 부피%가 상기 직경(D95)보다 작은 직경을 가지는 것을 의미하되, 연마 입자의 직경은 쿨터 카운터로 측정되며, 상기 연마 입자와 동일한 부피를 갖는 구의 직경에 대응하는 것인 연마 입자들(32),
   - 상기 중앙 코어 상에 상기 연마 입자들을 기계적으로 유지하는 바인더(34)로, 상기 바인더의 두께는 Tbo_min 내지 Tbo_max이며, 여기서 Tbo_min 및 Tbo_max는 하기 관계식(Tbo_max = D5 × (1 - Emin/100) 및 Tbo_min = D95 × (1 - Emax/100))에 의해 주어지고, 여기서 Emin 및 Emax는 각각 50% 초과 및 90% 미만인 것인 바인더(34)를 포함하는 연마 와이어에 있어서,
   - 상기 바인더(34)의 경도는 비커스 경도계로 450 HV보다 크고,
   - 상기 와이어의 밀리미터당 연마 입자들(32)의 개수는 상기 와이어의 적어도 1 ㎞의 길이에 걸쳐 31보다 작고 1보다 큰 것을 특징으로 하는 와이어.
2. 제1항에 있어서,
   1 ㎞를 초과하는 길이에 걸친 상기 와이어의 밀리미터당 연마 입자들(32)의 개수는 25 또는 20보다 작은 것인 와이어.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 밀리미터당 연마 입자들(32)의 개수는 상기 와이어의 적어도 1 ㎞의 길이에 걸쳐 5보다 큰 것인 와이어.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 바인더(34)의 경도는 비커스 경도계로 500 HV보다 큰 것인 와이어.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연마 입자들(32)의 상기 직경(D95)은 30 ㎛ 또는 25 ㎛보다 작은 것인 와이어.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연마 입자들(32)의 상기 직경(D5)은 8 ㎛ 이상인 것인 와이어.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연마 입자들(32)은 다결정 다이아몬드인 것인 와이어.
8. 경질 재료로 이루어진 잉곳으로부터 슬라이스를 절삭하는 공정으로,
   - 연마 절삭 와이어가 상기 잉곳을 연삭하게 하고, 그에 따라 상기 잉곳을 톱질하게 함으로써, 상기 연마 절삭 와이어를 변위시키는 단계(50, 52)로, 상기 변위는 제1 방향 및 정반대의 제2 방향으로 교대로 일어나고, 이를 위해 상기 연마 와이어는 제1 방향으로 변위될 때 보빈으로부터 풀리며, 교대로 제2 방향으로 변위될 때 상기 보빈에 감기는 것인 단계를 포함하는 공정에 있어서,
   상기 연마 와이어는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따르는 것을 특징으로 하는 공정.
9. 제8항에 있어서,
   상기 연마 와이어가 상기 잉곳을 연삭함과 동시에, 발생하는 상기 연마 와이어의 기계적 인장은 상기 연마 와이어를 파괴하는 데에 필요한 기계적 인장의 절반보다 낮게 유지되되(56), 상기 기계적 인장은 상기 보빈에 감기거나 풀리는 상기 연마 와이어의 기계적 인장인 것인 와이어.

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