TWI610757B - 切割用波紋單絲型鋼絲 - Google Patents

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Abstract

一種切割用波紋單絲型鋼絲；以及其製造方法。切割用波紋單絲 型鋼絲包含單一的金屬線，其中該金屬線被形成包含多數波紋，該些波紋具有一預定周期且被形成在縱向方向上的兩個或以上的平面，其中每一波紋包括位於其峰部(peak)的直線段，直線段的長度為S，波紋之周期為P，直線段的長度S與波紋之周期P間的比率S/P，介於5至45%的範圍。

Description

切割用波紋單絲型鋼絲
本發明關於一種切割用波紋單絲型鋼絲，尤其關於一種用來切割半導體晶錠、陶瓷、玻璃或與其相似的硬質材料的切割用波紋單絲型鋼絲，其具有所期望的耐磨性，且能夠提高切割工件(cut workpiece)的表面質量。
由矽(用於太陽電池基板等)、石英(應用於汽車類的各種產業領域)、砷化鎵(用於高頻電子產品)等製成的晶圓，是將圓柱形的晶錠(ingot)切成薄盤形態(晶圓)後形成的。
切割工件的切割表面必須平坦。為了改善切割工件之切割表面的精度，對工件進行切割的同時，將包括潤滑劑的切割液，噴到工件和切割用鋼絲之間的接觸部分。
對工件進行切割的同時噴撒研磨粒，切割用鋼絲會被磨損，凹陷和凸 出會惡化切割工件之切割表面的精度，而且會導致切割用鋼絲被切斷。再者，在切割加工時會產生相當強的拉伸應力，其結果是在鋼絲表面上很容易發生磨損，而要頻繁地更換切割用鋼絲。因此，產生一個問題在於，製造成本增加且製造效率降低。
韓國專利888026中公開一種鋸線，鋸線的直徑範圍從0.08至0.30毫米(mm)，在縱向的鋸線的殘餘應力(residual stress)，在自鋸線表面之深度從5至10μm範圍的區域為400~1000兆帕(MPa)。在切割製程中，由於切割線的直徑減小，其切割性能會發生退化，該專利揭示一種線性線，其具有特定範圍的殘餘應力，以將直線形狀轉換成小波紋(corrugated)形，用以補償退化的切割加工性能。然而，此線性線的問題在於，由於難以精確地控制線性線的殘餘應力，切割工件的表面質量是相當地惡化。
日本未審查專利公開第2012-121101號揭示一種固定研磨粒線，其中研磨劑被固定到線的表面。固定磨粒線是一種波紋線，其中多個波紋彎曲部分連續排列在，基於縱向方向上之線的直徑的每個節距內。所述固定磨粒線之特徵在於，該些波紋彎曲部分具有螺旋曲面立體波紋。固定磨粒線的問題在於，在切割期間難以維持波紋的形狀，因此切割製程的效率減小，而且由於切割工件的厚度不平均，切割工件表面的平坦度會惡化。
本發明各實施例的目的在於，提供一種切割用波紋單絲型鋼絲，其能夠改善耐磨性，藉以最小化在切割時於各自區域的切割工件之厚度差異。並且提供前述切割用波紋單絲型鋼絲的製造方法。
本發明各實施例的目的在於，提供一種切割用波紋單絲型鋼絲，其具有所期望的研磨劑載體的性能和所期望晶錠切割性能，藉以改善錠切割速度和切割工件表面質量。並且提供前述切割用波紋單絲型鋼絲的製造方法。
依據本發明一示例態樣，提供一種切割用波紋單絲型鋼絲其包含單一的金屬線，其中該金屬線被形成包含多數波紋，該些波紋具有一預定周期且被形成在縱向方向上的兩個或兩個以上的平面，其中每一波紋包括位於其峰部(peak)的直線段，直線段的長度為S，波紋之周期為P，直線段的長度S與波紋之周期P間的比率S/P，介於5至45%的範圍。
在形成有波紋的三維(3D)坐標系統中，波紋單絲型鋼絲構成在單一軸旋轉，且該單一軸相異於形成有波紋的2D平面的多個軸，因此所能達到的效果為，被賦予有波紋的平面的數量，大於實際形成有波紋的平面的數量。
依本發明另一態樣，提供一種切割用波紋單絲型鋼絲的製造方法其包含以下步驟。經由一饋送單元饋送一單絲型鋼絲，通過一第一波紋賦予裝置，將多數波紋賦予在該單絲型鋼絲，該第一波紋賦予裝置包含一對齒輪 構成在其表面上具有波紋形的凹陷和凸出，在其波紋的峰部(peak)具有直線段，並且沿相反方向轉動。在將該單絲型鋼絲饋送至一第二波紋賦予裝置前，藉由將該單絲型鋼絲捲繞在該第一波紋賦予裝置的周圍0.5至3次，對已通過該第一波紋賦予裝置而被賦予有波紋的該單絲型鋼絲，以順時針或反時針方向加以扭轉。通過該第二波紋賦予裝置，將多數另一波紋，賦予在已通過該第一波紋賦予裝置形成有該些波紋的該單絲型鋼絲上，該第二波紋賦予裝置被支持在相對於該第一波紋賦予裝置為45至135度之範圍的角度。以及，藉由將該單絲型鋼絲捲繞在該第二波紋賦予裝置的周圍0.5至3次，對已通過該第二波紋賦予裝置而被賦予有該些另一波紋的該單絲型鋼絲，以順時針或反時針方向加以扭轉。其中，第一及二波紋賦予裝置的波紋形凹陷和凸出的直線段的長度為S'且波紋之周期為P'，直線段的長度S'與波紋之周期P'間的比率S'/P'，介於5至45%的範圍。
10‧‧‧單絲型鋼絲
20‧‧‧第一波紋賦予裝置
30‧‧‧第二波紋賦予裝置
從以下之詳細說明及附圖，能夠更清楚地理解本發明之上述或其他目的、特徵及優點。
圖1為顯示習知的鋸線的示意立體圖。
圖2為顯示依本發明一實施例之切割用波紋單絲型鋼絲的示意側視圖。
圖3為顯示依本發明一實施例，從切割用波紋單絲型鋼絲的中心軸觀看時，波紋之結構的示意圖。
圖4為顯示用以製造依本發明一實施例切割用波紋單絲型鋼絲之賦予 波紋裝置的示意圖。
下面參照附圖詳細說明本發明的較佳實施例。於下述說明中，被認為可能非必要地混淆本發明主旨之相關公知功能與結構，將省略其詳細說明。
依據本發明一實施例的切割用波紋單絲型鋼絲包含一單一的金屬線，其中該金屬線被形成包含多數波紋(wavy-patterned)，該些波紋具有一預定周期且被形成在縱向方向上的兩個或兩個以上的平面，每一波紋包括位於其峰部(peak)的直線段，直線段的長度為S，波紋之周期為P，直線段的長度S與波紋之周期P間的比率S/P，介於5至45%的範圍。
圖2為顯示依本發明一實施例之切割用波紋單絲型鋼絲10的示意側視圖。圖3為顯示依本發明一實施例，從切割用波紋單絲型鋼絲10的中心軸觀看時，波紋之結構的示意圖。請參照圖2及圖3，依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲構成，形成在不同平面的兩個或兩個以上的波紋，被配置在徑向上圍繞中心軸。依本實施例，波紋的形狀不限定於特定形狀，但是可以例如具有一鋸齒形狀或正弦波形狀(sine wave shape)。
在形成有波紋的三維(3D)坐標系統中，波紋單絲型鋼絲構成在單一軸旋轉，且該單一軸相異於形成有波紋的2D平面的多個軸，因此本實施例 所達到的效果為，能夠(seeming)被賦予有波紋的平面的數量，大於實際形成有波紋的平面的數量。
於依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲中，值H/P，亦即波紋之高度H與波紋之周期P間的比率，介於3%至12%的範圍，因此適於提高切割製程中研磨劑的載體性能。於此例中，當值H/P小於3%時，研磨劑的載體性能不足，因此會產生鋸痕。另一方面，當值H/P超過12%時，研磨劑的載體性能過大，因而產生了晶圓厚度間的差異。
再者，每一平面包含一軸，且當從一波紋單絲型鋼絲的中心軸觀看時，該些軸在45度至135度的角度彼此交錯。當該角度小於45度時，不平均的殘餘應力保留在單絲型鋼絲本身的材料，因此線性程度惡化因而使切割性能惡化。另一方面，當該角度超過135度時，於切割後殘餘應力降低，因此波紋形狀的穩定性惡化，這所導致的問題在於切割性能的降低會隨著時間而加速。
依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲10，其典型的結構為在金屬線的表面上電鍍有一金屬電鍍層，以提高研磨劑的粘附性，該金屬線由例如包括高碳鋼、鎢和銅的鋼所製成，而該金屬電鍍層由例如銅或黃銅的金屬所製成。
單絲型鋼絲在斷裂點的伸長率介於2.0%至3.5%的範圍，且在10至40N的 範圍內。於本實施例中，當波紋單絲型鋼絲在斷裂點的伸長率小於2.0%時，不能夠確保切割用波紋單絲型鋼絲所需要的最小彈性(flexibility)，因而加工效能可能減少。另一方面，當波紋單絲型鋼絲在斷裂點的伸長率大於3.5%時，研磨劑的載體性能不足，因此切割工件的表面質量和加工效率可能會減小。
於本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲中，單絲型鋼絲的直徑d較佳地介於0.03至0.5mm的範圍。當單絲型鋼絲的直徑d小於0.03mm時，就無法獲得切割線所需要的強度。另一方面，當單絲型鋼絲的直徑d超過0.5mm時，切口損失(kerfloss)可能會增加。當使用切割線切割工件時，控制良率(yield rate)的一個因素為切口損失。當切割線挖掘進入例如晶錠的工件時，會產生剖開槽(cutaway groove)，而切口損失是指剖開槽的寬度。切口損失與良率成反比。為了最小化切口損失，需要縮小切割線的直徑，因此切割線必須很薄或超級薄(ultra-thinned)。為達到此目的，需要一種超高強度單絲型鋼絲，其具有高切割強度及表現出高韌性。於本實施例中，在切割時，為了減少工件損失及增加切割速度，提供一種薄切割用波紋單絲型鋼絲，其直徑等於或小於0.5mm。
於依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲中，波紋單絲型鋼絲的直徑d、波紋的高度H及波紋的周期P，滿足於下述條件：P=1-10mm、d=0.03-0.5mm、而且1.2×d mm
Figure TWI610757BD00001
h mm
Figure TWI610757BD00002
3.0×d mm。
於本實施例中，當波紋的高度H過低於單絲型鋼絲的直徑d時，無法充分地被確保即將被切割之工件和研磨劑間的距離，因此研磨劑的載體性能可能會惡化。另一方面，當波紋的高度H過高於單絲型鋼絲的直徑d時，難以在即將形成波紋的單一表面上賦予波紋，因此會有加工表面的精度可能會降低的疑慮。
依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲10，其碳含量介於約0.7至1.2wt%(重量百分比)的範圍。鍍銅層(brass-plating layer)之銅成分的比率，較佳地介於60至80%的範圍。在必要時，能夠將如鋅、錫、鎳、鈷、鉻以及該些金屬的合金等的第三元件，以介於0.1至6.0%之範圍的含量添加於鍍銅層。合金鍍層可以改善耐腐蝕性和強度。
依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲的塗佈層，能夠更包含多數的研磨劑粒，該些研磨劑粒由選自金剛石、碳化矽、碳化鎢和該等的混合物所組成之群組的其中之一所構成。
依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲10的拉伸強度(tensile strength)，介於300至600kg/mm2之範圍。為了達到切割用波紋單絲型鋼絲的固有目的，亦即對例如半導體、陶瓷或硬金屬的硬質材料，進行切割和切片(cutting and slicing)，需要足夠切割力量，因此依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲的強度，被限制在300至600kg/mm2之範圍的原因，在於確保前述切割力 量。再者，為了獲得超薄之切割用波紋單絲型鋼絲所需要的強度，可以採用一種以等於或高於90%的高加工等級(high processing level)，進行拉引加工(drawing process)的方法，當必要時，將例如鉻或釩的合金元件添加至原始材料，藉以提高強度。
依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲，以與切割流體一起且在一適當壓力接觸工件時進行移動的方式，對工件進行切割，其中將研磨劑和例如油或類似物的潤滑劑一起混合於切割流體中。利用依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲，對例如待切割之工件的硬質材料進行切割，用以形成晶圓的方法，將詳細地說明如下。連續行之切割用波紋單絲型鋼絲，被捲繞在多數輥的周圍，該些輥以預定的節距具有多個槽，然後移動連續行之切割用波紋單絲型鋼絲。以一預定力量，將待切割之工件，壓靠在該連續行之切割用波紋單絲型鋼絲。此時，切割流體被導入至該行的切割用波紋單絲型鋼絲與待切割工件之間。因此，能夠利用研磨劑顆粒的切割作用，對工件進行切割以形成晶圓。
依本發明一態樣，提供一種切割用波紋單絲型鋼絲的製造方法。前述切割用波紋單絲型鋼絲的製造方法包含以下步驟。經由一饋送單元饋送一單絲型鋼絲，通過一第一波紋賦予裝置，將多數波紋賦予在該單絲型鋼絲，該第一波紋賦予裝置包含一對齒輪構成在其表面上具有波紋形的凹陷和凸出，在其波紋的峰部(peak)具有直線段，並且沿相反方向轉動。在將該單絲型鋼絲饋送至一第二波紋賦予裝置前，藉由將該單絲型鋼絲捲繞在該第 一波紋賦予裝置的周圍0.5至3次，對已通過該第一波紋賦予裝置而被賦予有波紋的該單絲型鋼絲，以順時針或反時針方向加以扭轉。通過該第二波紋賦予裝置，將多數另一波紋，賦予在已通過該第一波紋賦予裝置形成有該些波紋的該單絲型鋼絲上，該第二波紋賦予裝置被支持在相對於該第一波紋賦予裝置為45至135度的角度。以及，藉由將該單絲型鋼絲捲繞在該第二波紋賦予裝置的周圍0.5至3次，對已通過該第二波紋賦予裝置而被賦予有該些另一波紋的該單絲型鋼絲，以順時針或反時針方向加以扭轉。於利用下述波紋賦予裝置所製得的切割用波紋單絲型鋼絲中，在其每一波紋的峰部(peak)形成有一預定直線段。所述第一及二波紋賦予裝置的波紋形凹陷和凸出的直線段的長度為S'且波紋之周期為P'，直線段的長度S'與波紋之周期P'間的比率S'/P'，介於5至45%的範圍。
如圖4所示，第一及二波紋賦予裝置20及30每一個皆能夠構造成，例如包含兩個齒輪，該些齒輪被塑形成在其表面上具有波紋形的凹陷和凸出，在其波紋的峰部(peak)具有直線段，且以預定的間隔彼此咬合。第一及二波紋賦予裝置20及30之齒部的尺寸及間距能夠為齊一或任意，但是並非限定於此。第一及二波紋賦予裝置20及30之齒輪的節距(pitch)能夠彼此相異，而且第一及二波紋賦予裝置20及30之齒輪的節距構成小於切割線之扭絞節距(twist pitch)。
以將一單絲型鋼絲直線地拉引通過波紋賦予裝置的方式，能夠將具有一預定節距的波紋賦予至單絲型鋼絲10。亦即，將單絲型鋼絲10插入至該些 第一及二波紋賦予裝置20及30，並且在通過第一及二波紋賦予裝置20及30的時候被第一及二波紋賦予裝置20及30施壓，藉以獲得預定的波紋。此時，每一第一及二波紋賦予裝置20及30的齒輪可以被配置成以一預定間隔彼此咬合，使得單絲型鋼絲10可以在通過第一及二波紋賦予裝置20及30時，還被他們施壓。
藉由調整第一及二波紋賦予裝置20及30的旋轉角度，可以使第一波紋的波紋表面的角度，相異於第二波紋的波紋表面的角度。
在使用切割用波紋單絲型鋼絲的期間，由於單絲型鋼絲會磨損的原因，導致研磨劑的載體性能的降低以及晶圓厚度的差異，依本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲，具有減輕研磨劑的載體性能的降低以及晶圓厚度的差異的效果，故可觀地改善了切割加工的加工效率和切割工件的表面質量。因此，本實施例之切割用波紋單絲型鋼絲，能夠用於切割需要超高精度表面的工件。
將結合各實例相詳細地說明本發明於如下，但是下述實施例僅是用於說明的目的，而不是用來限制本發明。
實施例
實施例1-12
具有碳含量為0.70至1.05%以及直徑為5.5毫米(mm)的線材(wire rod)， 受到了拉引製程兩次、熱處理且被鍍有黃銅，最後被拉引成直徑為0.115毫米(mm)，藉以製得單絲型鋼絲。之後，沒有波紋的鋼絲被直線拉引，通過第一波紋賦予裝置。在第二波紋賦予裝置的入口側，將單絲型鋼絲捲繞在第一波紋賦予裝置的周圍0.5次，扭轉單絲型鋼絲。於形成波紋後，在第二波紋賦予裝置的出口側，將單絲型鋼絲捲繞在第二波紋賦予裝置的周圍0.5次，扭轉單絲型鋼絲。藉以，使波紋被賦予在兩個不同的平面上。使用下述單絲型鋼絲，來切割矽錠(寬156毫米×高度156毫米×長度800毫米)，其中該些單絲型鋼絲的波紋的直線段的長度S，波紋之周期P，比率S/P的變化顯示於表1中。測量使用後之單絲型鋼絲的直徑及磨損率，並將測量結果列於下表1及2中。
比較例1-4
以與實施例1相同的方式，製得切割用波紋單絲型鋼絲，不同之處在於單絲型鋼絲的波紋的直線段的長度S，波紋之周期P，比率S/P的變化顯示於表1及2中。對各種物理性質進行了評價，且評價的結果列出在下表1及2中。
Figure TWI610757BD00003
Figure TWI610757BD00004
實施例13-17
在HCT-B5設備中，切割半導體晶圓錠(寬度156毫米×高度156毫米×長度800毫米)。波紋之周期P及波紋之高度H，在具有0.115毫米之直徑的線性鋼絲上改變，如顯示於以下表3中。評估無缺陷表面產品比率，並且將評估結果列於下表3中。
比較例5-6
切割用波紋單絲型鋼絲使用與實施例1相同的方式製得，不同之處在於波紋之周期P、波紋之高度H及H/P值，該些值的改變顯示於下述的表3中。對各種物理性質進行了評價，且評價的結果列出在下表3中。關於無缺陷表面產品比率，檢查晶圓是否有損壞、刮痕、顏色的差異及厚度的差異。將沒有刮痕、沒有顏色的差異、沒有厚度的差異且光電轉換效率為18%或以上 的晶圓，評價為無缺陷產品。全部檢查了2000個晶圓，且計算無缺陷產品的百分比成為無缺陷表面產品比率。
Figure TWI610757BD00005
從表1-3的結果可以得知，使用依本發明的波紋單絲型鋼絲切割晶圓的磨損率及無缺陷表面產品比率，明顯地高於使用比較例之單絲型鋼絲切割晶圓的無缺陷表面產品比率。再者，依本發明該些實施例之切割速度，高於比較例之切割速度。因此，提高了每單位時間的加工效率，從而有助於降低成本。
依本發明之切割用波紋單絲型鋼絲，能夠改善切割時的耐磨性，藉以減輕在切割時於各自區域的切割工件之厚度差異，並提供所需的研磨劑的載體性能，也提高了切割速度和切割加工的效率。
再者，由於研磨劑的載體性能的增加，波紋單絲型鋼絲的磨損減小，因此依本發明之切割用波紋單絲型鋼絲，顯示出改善的壽命性能。由於被 賦予在多個平面的波紋，徑向分佈圍繞一中心軸，而相當有效地改善了切口部的表面質量。因此，依本發明之波紋單絲型鋼絲適合切割硬質材料，例如半導體、陶瓷和硬質金屬的錠。尤其因為切割工件的表面質量令人滿意，而能夠有利地用於要求高精度的表面平坦性之硬質材料的切割。
已結合本發明各實施樣態和各實施例詳細地說明本發明，在不脫離本發明之精神和範圍的情況下，能夠用很多種方法來修改和變化本發明，對於本領域具有通常知識者這是很明顯的，因此所有該些修正及變形應被視為落入本發明之保護範圍內。
10‧‧‧單絲型鋼絲

Claims (9)

  1. 一種切割用波紋單絲型鋼絲，包括一單一的金屬線，其中，該單一的金屬線被形成包含具有一預定周期的多數波紋，而且該些波紋被形成在該單一的金屬線的縱向方向上的兩個或兩個以上的平面，每一波紋包含位於其峰部的直線段，直線段的長度為S，波紋之周期為P，直線段的長度S與波紋之周期P間的比率S/P，介於5至45%的範圍。
  2. 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其中，形成在不同平面的兩個或兩個以上的波紋，被配置在徑向上圍繞一中心軸。
  3. 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其中，該波紋的高度H與該波紋的周期P間的比率H/P，介於3至12%的範圍。
  4. 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其中，該波紋的高度H、該波紋的周期P及該波紋單絲型鋼絲的直徑d，滿足於下述條件：P=1-10mm、d=0.03-0.5mm、而且1.2×dh3.0×d。
  5. 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其中，該切割用波紋單絲型鋼絲在斷裂點的伸長率介於2.0至3.5%的範圍。
  6. 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其為由對碳鋼電鍍黃銅以形成一鍍銅層所形成的一單絲型鋼絲，而且該單絲型鋼絲的碳含量介於0.7至1.2wt%(重量百分比)的範圍，該鍍銅層之銅成分的百分比介於60至80%的範圍。
  7. 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其中，該切割用波紋單絲型鋼絲的一表面，電鍍有選自銅、鋅、錫、鎳、鈷、鉻以及該些金屬的合 金所組成群組中選擇的一種或多種的材料。
  8. 根據請求項7所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其中，該表面的塗層材料還包括金剛石、碳化矽研磨劑以及它們的混合物其中之一。
  9. 一種製造一切割用波紋單絲型鋼絲的方法，包括：經由一饋送單元饋送一單絲型鋼絲，通過一第一波紋賦予裝置，將多數波紋賦予在該單絲型鋼絲，該第一波紋賦予裝置包含一對齒輪構成在其表面上具有波紋形的凹陷和凸出，在每一波紋形的峰部具有直線段，並且沿相反方向轉動；在將該單絲型鋼絲饋送至一第二波紋賦予裝置前，藉由將該單絲型鋼絲捲繞在該第一波紋賦予裝置的周圍0.5至3次，對已通過該第一波紋賦予裝置而被賦予有波紋的該單絲型鋼絲，以順時針或反時針方向加以扭轉；通過該第二波紋賦予裝置，將多數另一波紋，賦予在已通過該第一波紋賦予裝置形成有該些波紋的該單絲型鋼絲上，該第二波紋賦予裝置被支持在相對於該第一波紋賦予裝置為45至135度的角度；以及藉由將該單絲型鋼絲捲繞在該第二波紋賦予裝置的周圍0.5至3次，對已通過該第二波紋賦予裝置而被賦予有該些另一波紋的該單絲型鋼絲，以順時針或反時針方向加以扭轉，其中第一及二波紋賦予裝置的波紋形凹陷和凸出的直線段的長度為S’且波紋之周期為P'，直線段的長度S'與波紋之周期P'間的比率S'/P'，介於5至45%的範圍。
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