JP2009285791A - ワイヤソーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】砥粒の脱落を防止することが可能なワイヤソーを提供する。
【解決手段】ワイヤソー１は、高強度の芯線２と、芯線２に近い側の下引き層５と、芯線２から遠い側の上引き層６とを有する。下引き層５および上引き層６に砥粒３が保持されている。下引き層５と砥粒３との間の隙間５ａに上引き層６が入り込んでいる。上引き層６の厚みが砥粒３の径から下引き層５の厚みを引いた値の１／５未満である。
【選択図】図２

Description

この発明は、主としてシリコンインゴットのスライシングのような電子材料の加工、ネオジウム系磁石、ガラスの切断のような磁性材料や光学材料の加工などに使用されるワイヤソーおよびその製造方法に関するものである。

従来、シリコンインゴットのスライシング加工には、主としてダイヤモンド内周刃が使用されてきたが、シリコンインゴットの大口径化に伴い、収率、生産性、加工変質層、寸法的な制約などにより、最近は遊離砥粒とワイヤソーによる加工が多く用いられるようになっている。しかしながら、遊離砥粒を用いる加工は、砥粒が加工油に分散した油状スラリーを使用するため、環境衛生上の問題があるとともに、洗浄を要するなど作業工程が長くなり、加工能率、加工精度とも不十分である。そのため、砥粒を固定させたワイヤを使ったワイヤソーによる加工が強く望まれている。

このような固定砥粒式ワイヤソーとしては、特開昭５０−１０２９９３号公報（特許文献１）に開示されている。この文献では、芯線に砥粒を結合して、その外周面にドレッシングを施す技術が開示されている。

また、特開平８−１２６９５３号公報（特許文献２）には、シリコンウェハの切出し加工におけるワイヤソーの特徴が詳細に述べられ、この加工では芯線としてポリエチレン、ナイロン等の素材を用いることがよいと提案されている。

特開平９−１５５６３１号公報（特許文献３）では、芯線にダイヤモンド砥粒を電解めっきまたは合成樹脂バインダを用いて固着する技術が開示されている。

また、特開平１０−３３７０３号公報（特許文献４）には、ある範囲の砥粒径を有する砥粒およびフィラーがある特定の物性を有する樹脂で芯線の周囲に固着された構造を有する固定砥粒式ワイヤソーおよびその製造方法が開示されている。
特開昭５０−１０２９９３号公報 特開平８−１２６９５３号公報 特開平９−１５５６３１号公報 特開平１０−３３７０３号公報

従来、固定砥粒式ワイヤソーでは、通常の切断砥石と異なり砥粒はほぼ単層であり、砥粒が脱落することは即切断性能の低下に繋がるという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、砥粒の脱落を防止することが可能なワイヤソーおよびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明に従ったワイヤソーは、芯線と、芯線を覆う下引き層と、下引き層を覆う上引き層と、下引き層および上引き層とに保持されて芯線上に配置される砥粒とを備え、下引き層と砥粒との間に上引き層が入り込んでいる。

このように構成されたワイヤソーでは、下引き層の周囲に上引き層を形成することにより、砥粒を物理的に固定補強し、砥粒の脱落を防ぐことができる。さらに、下引き層と砥粒との間に上引き層が入り込んでいるため、上引き層が砥粒を強固に保持して砥粒の脱落を防止することができる。

さらに、上引き層の厚みが砥粒の平均粒径から下引き層の厚みを引いた値の１／５未満である。この場合、いわゆるチップポケット量が大きくなり、加工くずの排出が迅速に行なえ、切断速度は向上する。この観点から、上引き層の厚みは砥粒の平均粒径から下引き層の厚みを引いた値の１／５未満としている。

芯線としては、金属材料、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、有機材料、炭素材料からなる線状体を用いることができるが、容易に極細線に仕上げられ、均質で強度も高いピアノ線が最も好ましい。

好ましくは、下引き層は、弾性率が１００ｋｇ／ｍｍ²以上かつ軟化温度が２００℃以上である樹脂中を主体とする。また、下引き層の強度を上げるために、上記樹脂のほかにフィラー等の添加剤を加えてもよい。

ボンドとして使用する樹脂としては、切断加工時に発生する抵抗や熱に耐え砥粒を保持する必要がある。

このような樹脂として、弾性率が１００ｋｇ／ｍｍ²以上で軟化温度が２００℃以上である樹脂はいずれでも用いることができるが、成形性や物性の見地からアルキッド樹脂、フェノール樹脂、ホルマリン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂、ポリエステルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルウレタン樹脂、ビスマレイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリエーテルイミド、ポリパラベン酸、芳香族ポリアミドなどが好ましい。

好ましくは、上引き層は、弾性率１００ｋｇ／ｍｍ²以上かつ軟化温度が２００℃以上の樹脂を主体とする。

このような樹脂として上述の下引き層と同様の樹脂を用いることができる。さらに、このような上引き層の樹脂中にフィラーや砥粒が含有されていても特に問題はない。

好ましくは、下引き層に保持される砥粒がダイヤモンドまたはＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を含む超砥粒である。

このような超砥粒では切断性能、寿命の両面で他の一般砥粒より好ましい。特に、この超砥粒とレジンボンドとの結合力を向上させるために、超砥粒の表面に予めニッケルや銅などの金属めっきを施しておくことが好ましい。

さらに、フィラーとして微粒ダイヤモンド、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ＣＢＮ、マイカ、タルク、炭酸カルシウム、カオリン、クレー、酸化チタン、硫酸バリウム、酸化亜鉛、水酸化マグネシウム、チタン酸カリウム、硫酸マグネシウム、などを上引き層または下引き層に含有させることにより、上引き層と下引き層を合わせたレジンボンド層の強度や耐摩耗性を向上させる必要があるが、微粒ダイヤモンドがその効果が高く熱伝導性も向上するので、切断加工時に発生した熱をすばやく外部へ逃がすため熱軟化や熱劣化による砥粒の脱落を防ぐことができる。この点で、ダイヤモンドフィラーは、ワイヤソーの長寿命化、切断精度向上にとって最も好ましい。ダイヤモンドについで、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣＢＮ等の硬質のものが好ましい。

砥粒のレジンボンド中の含有量としては、１体積％以上３０体積％以下であることが好ましい。さらに、フィラーを使用する場合には、フィラーのレジンボンド中の含有量としては、１体積％以上５０体積％以下であることが好ましい。

上記構成のワイヤソーを製造する方法としては、樹脂を溶剤に溶かした溶液中に、上記砥粒と必要であればフィラーを混合した塗料を、芯線に塗布焼付して行なう方法を採用することができる。焼付により下引き層を形成する。これにより、砥粒も***および突出しやすく有利である。樹脂を溶剤に溶かした溶液を下引き層の外側に塗布して加熱することにより、下引き層と砥粒を覆い、かつ砥粒と下引き層との間に入り込む上引き層を形成する。

塗布焼付は、芯線を塗布槽中を通過させた後、乾燥部に導入して加熱固化することによって容易にできる。この乾燥部への導入部分も、乾燥部分も、砥粒の均一な分散と、レジンボンドの厚みの均一性を保持するためには堅型とすることが好ましい。また、導入部には浮きダイスを使用して樹脂溶液の付着状態を制御することが好ましい。

なお、ボンドとして使用する樹脂を加熱溶融し、その溶融液中に砥粒とフィラーを混合し、この混合溶融液を押出機に充填し、芯線を通過させて該混合溶融液を芯線外周上に押出被覆することも可能である。この場合、砥粒の***および突出は少なくなり、切断加工初期の切断速度は遅くなるが、加工を継続すればレジンボンド層は研削摩耗により次第に後退して砥粒が突出してくるのでワイヤソーとして使用可能である。

溶剤は樹脂を溶解できるものであればいかなるものでもよいが、使用する樹脂の種類によりキシレン、トルエン、ベンゼン、エチルベンゼン等のアルキルベンゼン類、クレゾール、フェノール、キシレノール等のクレゾール類、エタノール、ブタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、ＮＭ₂Ｐ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、ＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）、ＤＭＡｃ（ジメチルアセトアミド）、ＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）等の非プロトン系溶剤などを使い分ける。

好ましくは、上引き層を形成する工程は、樹脂の割合が５体積％以上５０体積％以下の溶液を下引き層の外側に塗布する工程を含む。

本発明に従ったワイヤソーを図１で示す。図１中のＩＩ−ＩＩ断面を図２で示す。図１は、本発明に従ったワイヤソーの概略断面図であり、芯線２の外周側に砥粒３が固着している。芯線２の外周側に、下引き層５および上引き層６が固着しており、フィラー４は下引き層５中に埋込まれている。上引き層６の外表面より砥粒３の少なくとも一部が露出するように***および固着されている。

下引き層５と砥粒３との間の凹部５ａには上引き層６が入り込んでいる。下引き層５を焼付するときに砥粒３が存在し、焼付時に下引き層５が縮小するため、下引き層５と砥粒３との間には凹部５ａが生じる。凹部５ａが存在する状態で凹部５ａ上に上引き層６を塗布するため、上引き層６が凹部５ａに入り込んで凹部５ａを埋める。その結果、砥粒３が確実に保持され、砥粒３の脱落を防止することができる。

（実施例１）
フェノール樹脂塗料（フェノール樹脂をクレゾールにて溶解した塗料）、平均粒径２．６μｍのダイヤモンドフィラー、平均粒径４４μｍのダイヤモンド砥粒をそれぞれの固形分比が６０体積％、２０体積％、２０体積％となるように混合し、さらに溶剤のクレゾールを加え塗料中の溶剤量を５０体積％とした。外径０．１８ｍｍの銅めっきピアノ線に上述の塗料を塗布し、径が０．２８ｍｍのダイスを通した後、炉の温度３００℃の焼付炉で焼付硬化した後、フェノール樹脂をクレゾールにて溶解した塗料（樹脂濃度：１０体積％）をナイロンフェルトで塗布し、再度炉の温度３００℃で焼付炉で焼付することで硬化することにより、２層構造を有するワイヤソーを作製した。

得られたワイヤソーの外径は０．２３８ｍｍで焼付硬化により形成された層厚は、下引き層で約１９μｍ、上引き層で約１μｍであった。

（実施例２，３）
上引き層形成用のフェノール樹脂塗料の濃度をそれぞれ１５体積％（実施例２）、２０体積％（実施例３）とした以外は実施例１と同様に焼付硬化を行なった。その結果、下引き層厚／上引き層厚はそれぞれ、２０／２μｍ（実施例２）および１９／３μｍ（実施例３）であった。

（実施例４，５）
上引き層形成用のフェノール樹脂塗料の代わりに、エステルイミド樹脂（実施例４）、アミドイミド樹脂（実施例５）を用いたこと以外は実施例１と同様に焼付硬化を行なった結果、下引き層厚／上引き層厚はそれぞれ、２１／２μｍ、１９／２μｍであった。

さらに、各実施例におけるワイヤソーの断面を確認したところ、図１および図２で示すように、凹部５ａに上引き層６が入り込んでいた。

（比較例１）
フェノール樹脂塗料（フェノール樹脂をクレゾールにて溶解した塗料）、平均粒径２．６μｍのダイヤモンドフィラー、平均粒径４４μｍのダイヤモンド砥粒をそれぞれの固形分比が６０体積％、２０体積％、２０体積％となるように混合し、さらに溶剤のクレゾールを加え塗料の溶剤量を５０体積％とした。外径０．１８ｍｍの銅めっきピアノ線に塗料を塗布し、径が０．２８ｍｍのダイスを通した後、炉の温度３００℃の焼付炉で焼付硬化してワイヤソーを作製した。

得られたワイヤソーの外径は、０．２３８ｍｍで形成された。層厚は約１９μｍであった。

（比較例２，３）
上引き層形成用のフェノール樹脂塗料の濃度をそれぞれ３０体積％（比較例２）、４０体積％（比較例３）とした以外は実施例１と同様に焼付硬化を行なった結果、下引き層厚／上引き層厚はそれぞれ２０／５μｍ（比較例２）、１９／８μｍ（比較例３）であった。

これらのワイヤソーを使用し、下記の試験を実施した。その結果を表１に示す。

（砥粒保持荷重）
ワイヤソーに対して直角にピアノ線をセットし、ピアノ線にかかる荷重を増加させながらワイヤソーと平行方向（ワイヤソーの長手方向）にピアノ線を移動させた後、砥粒が脱落した荷重を読取った。

ピアノ線径：０．１８ｍｍ
移動速度：４００ｍｍ／分
荷重：１００〜２２０ｇ
（切断試験）
レーザーテクノロジー社製切断機を用い下記条件にてワイヤソーの切断試験を実施し、切断速度を測定した。

サンプル：Ｎｄ系磁石（４０ｍｍ角×２０ｍｍ厚）
切断面：２０ｍｍ×４０ｍｍ
ワイヤソー走行速度：４００ｍ／分、押付圧：４Ｎ
切削油：パレス化学製、ＰＳ−Ｌ−３０
（作用）
上記実施例および比較例における砥粒保持荷重の評価により、上引き層のない比較例１に比べて上引き層が厚くなるほど砥粒保持荷重が高くなっている。一方、切断試験結果から、実施例１から４のワイヤ層は、上記砥粒保持荷重が高いため比較例１のワイヤソーに比べて切断速度特に切断開始４５分後の切断速度が優れている。また、上引き層の厚みの厚い比較例２，３のワイヤ層は砥粒保持荷重は高いものの切断速度は実施例１から４に比べて劣っている。

これは、砥粒がフィラーを含有するレジンボンドにより、芯線の外周面上に***突出して固着され、その上層に形成された樹脂層によりさらに強固に保持されていることによる。

しかしながら、砥粒の突出量の小さい比較例２，３のワイヤソーはチップポケット量が小さいため、実施例のワイヤソーに比べて切断開始後の切断速度も、切断開始４５分後の切断速度も劣っている。切断に有効なチップポケット量を確保するためには、上引き層の厚みが砥粒の平均粒径から下引き層厚みを引いた値の１／５未満である必要がある。

また、砥粒をより強固に保持するには樹脂層が耐熱性と耐摩耗性に優れていることが必要である。このような樹脂としてはその弾性率が１００ｋｇ／ｍｍ²以上であり、かつ熱軟化温度が２００℃以上であることが好ましい。

さらに、表２において、上記平均粒径２．６μｍのダイヤモンドフィラーと平均粒径４４μｍのダイヤモンド砥粒の実際の粒子径分布をレーザー回折式粒度分布測定装置（島津製ＳＡＬＤ−２０００Ａ）で測定した結果を示す。

表２に示したようにフィラーの平均粒径２．６μｍ、また砥粒の平均粒径４４μｍといっても、実際の粒子径には相当なばらつきがある。そのため、フィラーとして配合したものでも砥粒として働くもの、逆に砥粒として配合したものでもフィラーとして働くものも存在する。

したがって、芯線の直径および樹脂、砥粒、フィラーの種類、量、粒度、砥粒の***突出度は切断対象、切断条件に応じて、上記特許請求の範囲に記載された範囲内において最適なものを選択実施する必要があることは言うまでもない。

本発明によれば、従来の遊離砥粒によるシリコンウェハのスライシング加工に代え、ワイヤソーによるスライシング加工のできる固定砥粒型ワイヤソーを容易にかつ経済的に提供することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従ったワイヤソーの構成を説明するための概略断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

符号の説明

１ ワイヤソー、２ 芯線、３ 砥粒、４ フィラー、５ 下引き層、５ａ 凹部、６ 上引き層。

Claims (7)

1. 芯線と、
   前記芯線を覆う下引き層と、
   前記下引き層を覆う上引き層と、
   前記下引き層および前記上引き層とに保持されて前記芯線上に配置される砥粒とを備え、
   前記下引き層と前記砥粒との間に前記上引き層が入り込んでおり、
   前記上引き層の厚みが前記砥粒の平均粒径から前記下引き層の厚みを引いた値の１／５未満である、ワイヤソー。
2. 前記下引き層は、弾性率が１００ｋｇ／ｍｍ²以上かつ軟化温度が２００℃以上である樹脂を主体とする、請求項１に記載のワイヤソー。
3. 前記上引き層は、弾性率が１００ｋｇ／ｍｍ²以上かつ軟化温度が２００℃以上である樹脂を主体とする、請求項１に記載のワイヤソー。
4. 前記下引き層中に保持される砥粒がダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）を含む超砥粒である、請求項１に記載のワイヤソー。
5. 前記超砥粒は金属めっきされている、請求項４に記載のワイヤソー。
6. 芯線の外周面上に、樹脂を溶剤に溶かした溶液中に少なくとも砥粒を配合して作製した塗料を塗布して加熱することにより芯線外周面上に下引き層により砥粒を固定する工程と、
   樹脂を溶剤に溶かした溶液を下引き層の外側に塗布して加熱することにより前記下引き層と前記砥粒を覆い、かつ前記砥粒と前記下引き層との間に入り込む上引き層を形成する工程とを備えた、ワイヤソーの製造方法。
7. 前記上引き層を形成する工程は、前記樹脂の割合が５体積％以上５０体積％以下の溶液を前記下引き層の外側に塗布する工程を含む、請求項６に記載のワイヤソ−の製造方法。

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