JP2013244552A - 固定砥粒式ソーワイヤおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電着による砥粒固定方法において、高い砥粒の保持力を維持しつつ、生産コストを低く抑え、長寿命で生産性が高い固定砥粒式ソーワイヤを提供する。
【解決手段】
ブラスメッキ１２が施されたワイヤ１１の外周面に、仮付けニッケルメッキ１３とともに砥粒１４を仮付けする。給電ローラにてニッケルメッキに抵抗加熱を与え、砥粒の固着力を高める。抵抗加熱にて、ニッケルメッキを溶融し、再度硬化させ、裾広がり状の土台部１５を形成させることが好ましい。さらに、この上から固定ニッケルメッキ１６を施し、砥粒を覆うように固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体や太陽電池のウェハ材料であるシリコンインゴット、水晶、サファイア、セラミックなどの硬脆材料をスライス切断するソーワイヤに関し、特にワイヤ表面に硬質砥粒を固着させた固定砥粒式ソーワイヤおよびその製造方法に関する。

ソーワイヤは、シリコンインゴットや水晶、サファイア、セラミックなどの硬脆材料をスライス切断するためのワイヤであり、遊離砥粒式と固定砥粒式の２種類のソーワイヤがある。

遊離砥粒式ソーワイヤは、スラリー（砥粒を含む液体）を吹きつけながら切断加工を行う方式で、固定砥粒式ソーワイヤは、あらかじめワイヤ表面に砥粒を固着させたワイヤで切断加工を行う方式である。

遊離砥粒式ソーワイヤは、スラリーを用いるため、切断中に砥粒が移動、回転するため切削速度が遅い。また、切断中にスラリーと切り粉の混合物が大量に発生するため、被切断物が汚染され、それを洗浄する必要があり、生産コストが高くなる。
一方で、固定砥粒式ソーワイヤは、あらかじめワイヤに砥粒が固着されているため、切断中に砥粒が移動したり回転したりせずに、ワイヤの走行により砥粒が被切断物を効率的に研削し続ける。そのため、切断速度は遊離砥粒式に比べて数倍以上であり、さらにスラリーと切り粉の混合物の発生も少ないため洗浄時間が短く、環境にも優しいため、従来の遊離砥粒式ソーワイヤに代わって主流になりつつある。

硬脆材料をスライス切断する装置として、ソーマシン４０が知られている。図５はソーマシンの概略図である。ソーマシン４０では、固定砥粒式ソーワイヤ４１は、供給リール４２から供給され、メインローラ４３に数十から数百のワイヤが張り巡らされる。そして、巻取リール４４に巻き取られる。
被切断物４５は、高速で走行するソーワイヤに上から押し当てられることにより、ソーワイヤ表面に固着された砥粒によって被切断物４５が研削され、薄くスライスされる。

固定砥粒式ソーワイヤの砥粒を固定させる方法として、電着による方法がある。
電着による方法は、金属メッキにより砥粒を固定する方法である。金属メッキによって固定するため、固着力は高く、寿命も長い。しかし、砥粒の固着力を高めるには、砥粒を仮付け、固定させるメッキ槽を長くする方法や、添加剤（光沢剤等）等を加えてメッキ硬度を上げる方法しかなく、メッキ装置が大きくなったり、メッキ液管理が非常に難しくなっていた。（特開２０１１−２３０２５８号公報）
また、砥粒を仮付けした後、ワイヤがローラを通ると、ローラを回転させる負荷によって砥粒が脱落してしまうという問題があった。

特開２０１１−２３０２５８号公報 特開２００６−５５９５２号公報

本発明は、前述の電着による砥粒固定方法を改善したもので、生産コストを低く抑え、長寿命で生産性が高い固定砥粒式ソーワイヤを提供することにある。

上記課題を解決するため、発明者らは鋭意研究を重ね、砥粒の下部をニッケルメッキ層に埋め込み、さらに裾広がり状の土台部を設けることで、仮付けニッケルメッキ槽、固定ニッケルメッキ槽を短くし、生産性を高めることを可能にした。

すなわち、本発明の固定砥粒式ソーワイヤは、
ワイヤの長手方向に砥粒を固定されたもので、
仮付けニッケルメッキ層で砥粒が仮付けされ、ニッケルメッキの溶融によって当該砥粒の下部がニッケルメッキ層に埋められ、その外周部に固定ニッケルメッキが施されており、
仮付けニッケルメッキの厚さが０．１〜２．０μｍであり、
固定ニッケルメッキの厚さが平均砥粒径の０．１〜０．８倍の厚さであり、
引張強度が３５００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

前記仮付けニッケルメッキ層は、裾広がり状の土台部を有していることを特徴とする。

また、前記砥粒の平均砥粒径は、５〜６０μｍであることが好ましい。

また、前記平均砥粒径の２０〜７０％が土台部で覆われていることが好ましい。

さらに、前記土台部と前記砥粒とのなす角θは、０°以上５°未満であることが好ましい。

本発明の固定砥粒式ソーワイヤの製造方法は、
ワイヤの表面に、砥粒とともに仮付けニッケルメッキして砥粒を仮付けした後、
仮付けニッケルメッキ部に抵抗加熱を与えてニッケルメッキを溶融して砥粒の下部をニッケルメッキ層中に埋め込み、さらに裾広がり状の土台部を設けて砥粒を固定し、
その外周部に固定ニッケルメッキをして砥粒を覆うように固定させることを特徴とする。

本発明によれば、ニッケルメッキの溶融により砥粒の下部がニッケルメッキ層に埋められ、さらに裾広がり状の土台部を有することによって固着力を上げ、仮付けニッケルメッキ槽、固定ニッケルメッキ槽を短くすることができるほか、電流密度を下げること、ワイヤの線速度を上げることが可能となり、生産コストを低く抑え、長寿命で生産性が高い固定砥粒式ソーワイヤを得ることができる。

図１は、本発明の固定砥粒式ソーワイヤの中心軸に対する垂直断面を示す模式図である。 図２は、本発明の固定砥粒式ソーワイヤの土台部の角度を説明するための図である。 図３は、本発明の固定砥粒式ソーワイヤの製造工程の一例を示す。 図４は、仮付けニッケルメッキ工程の概略図である。 図５は、ソーマシンの概略図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、本発明の固定砥粒式ソーワイヤの好ましい一形態をその製造方法とともに説明する。

図１は、本発明の固定砥粒式ソーワイヤ１０において、ワイヤ中心軸に対する垂直断面を示す模式図である。１１はワイヤ、１２はブラスメッキ、１３は仮付けニッケルメッキ、１４は砥粒、１５は土台部、１６は固定ニッケルメッキを示している。

ワイヤ１１は、強度を確保するために、例えば０．８重量％以上のＣを含有する高炭素鋼線であるとよい。

ワイヤ１１の外周部には、伸線加工性をよくするためにブラスメッキ１２を設けてもよい。

固定砥粒式ソーワイヤ１０において、仮付けニッケルメッキ１３の外周部に砥粒１４が仮付けされている。仮付けニッケルメッキ１３を溶融することで、砥粒１４がワイヤ中心側に寄る形で、砥粒の下部が仮付けニッケルメッキ層に埋められている。仮付けニッケルメッキが再び硬化すると、裾広がり状の土台部１５となる。この外周部に固定ニッケルメッキ１６が施されている。

ここで、仮付けニッケルメッキ１３の厚さは、０．１〜２．０μｍであることが好ましい。厚さが０．１μｍ未満であると、メッキが薄すぎて砥粒の仮付けが困難になり、土台部も形成できない。厚さが２．０μｍを超えると、メッキが分厚くなり、コストが高くなる。

より好ましい仮付けニッケルメッキ１３の厚さは、０．５〜１．５μｍである。

固定ニッケルメッキの厚さは、平均砥粒径の０．１〜０．８倍の厚さであることが好ましい。厚さが平均砥粒径の０．１倍未満であれば、十分な固着力が得られず、切断中に砥粒が脱落するおそれがある。厚さが平均砥粒径の０．８倍を超えると、固着力は非常に強いものになるが、コストも高くなるため、０．８倍以下としている。

固定砥粒式ソーワイヤの引張強さは、３５００ＭＰａ以上であることが好ましい。引張強さが３５００ＭＰａ未満であると、切断時にソーワイヤが断線するおそれがある。

より好ましくは、引張強さは３８００ＭＰａ以上である。

固定砥粒式ソーワイヤの捻回値は、３５回／１００ｄ以上であることが好ましい。捻回値が３５回／１００ｄ未満であると、切断中にソーワイヤが捻じられたとき、そのまま捻じ切れてしまうおそれがある。

砥粒の平均砥粒径は、５〜６０μｍであることが好ましい。５μｍ未満であると、砥粒が小さすぎて切削効率が悪くなる。６０μｍを超えると、切削性は良くなるものの、砥粒が大きすぎて切り粉が大量に発生し、得られるウェハの数が減ってしまう。そのため、平均砥粒径は、５〜６０μｍとしている。

平均砥粒径の２０〜７０％が、裾広がり状の土台部１５で覆われていることが好ましい。平均砥粒径の２０％未満の土台部であれば、十分な固着力が得られず、切断中に砥粒が脱落するおそれがある。平均砥粒径の７０％を超える土台部を有すると、土台部が非常に分厚いものになってしまう。砥粒の性能を活かせず、切削効率が悪くなるため、７０％以下としている。

図２に、固定砥粒式ソーワイヤの土台部の角度を説明するための図を示す。
図２（ａ）に示すように、裾広がり状の土台部を、１５とする。
図２（ｂ）に示すように、土台部１５の外側の略線状部に沿うように、線Ａを引く。
図２（ｃ）のように、線Ａと砥粒との交点を点Ｂとする。
図２（ｄ）のように、点Ｂにおいて、砥粒の略線状に沿うように、線Ｃを引く。
ここで、線Ａと線Ｃとのなす角θのことを、土台部と砥粒とのなす角θとする。
図２では、説明のためになす角θは大きく記載してあるが、実際はこの角度より随分小さい。

土台部と砥粒とのなす角θは、０°以上５°未満であることが好ましい。
なす角θが５°以上であれば、砥粒は安定するものの切り粉の排出効率が悪くなり、切削効率が悪くなる。

より好ましい土台部と砥粒とのなす角θは、１°以上４°未満である。

図３に、本発明の固定砥粒式ソーワイヤの製造工程の一例を示し、これに沿って製造方法を説明する。
繰出しリール２１から繰出されたワイヤ２２は、洗浄槽２３にて洗浄される。次に、仮付けニッケルメッキ槽２４にてニッケルメッキとともに砥粒が仮付けされる。その後、固定ニッケルメッキ槽２５で、砥粒を完全に固定し、洗浄槽２６を通って洗浄され、巻取りリール２７に巻き取られる。

図４に、仮付けニッケルメッキ工程の概略図を示す。
図４は仮付けニッケルメッキ槽をワイヤが通る様子である。
２２はワイヤ、３１、３３は給電ローラ、３２は陽極、２４は砥粒とニッケルを混合した仮付けニッケルメッキ槽である。

ワイヤ２２は、給電ローラ３１と３３を通じて通電され、ワイヤ２２自体を陰極とする。ワイヤ２２を矢印の方向に連続的に送ると、仮付けニッケルメッキ槽２４中で、陽極３２との間で通電されることにより、ニッケルメッキが施され、同時に砥粒が仮付けされる。給電ローラ３３では、砥粒が仮付けされたニッケルメッキ部に抵抗加熱が与えられ、ニッケルメッキが溶融し、砥粒の下部がニッケルメッキ層中に埋め込まれる。ニッケルメッキが再度硬化する際に裾広がり状の土台部が設けられる。

なお、抵抗加熱は、電圧や、ローラの位置、形状を調節することで発生させられる。

ニッケルメッキを溶融、再度硬化させ、土台部を設けることで、仮付けさせるメッキ厚みが薄くても、砥粒の固着力を大きくすることが可能となり、仮付けニッケルメッキ槽２４を短くすること、電流密度を小さくすることや、線速度を速くすることが可能となる。また、給電ローラ３３で一瞬のうちにニッケルメッキを溶融、再度硬化させるため、給電ローラ３３と接触する砥粒の固着力が大きくなるため、給電ローラ３３を回転させる負荷によって砥粒が脱落してしまうことを防止できる。

図３、図４に示す仮付けニッケルメッキ槽では、ワイヤを下方から上方へ送って仮付けニッケルメッキを行っている。これは、砥粒を周方向に均一にワイヤに付着させるためにこのような構成にしているが、仮付け方法は問わず、固定ニッケルメッキ槽と同様に横方向で仮付けニッケルメッキを行ってもよい。

砥粒に土台部が設けられた後、固定ニッケルメッキ槽２５にて、砥粒を覆うように固定ニッケルメッキが施され、砥粒が完全に固定される。その後洗浄槽２６で洗浄され、巻取りリール２７に巻き取られる。

砥粒の仮付けニッケルメッキ工程において、砥粒に土台部が設けられているため、この時点で砥粒の固着力は強くなっており、後の固定ニッケルメッキの厚さを薄くすることができる。つまり、従来に比して固定ニッケルメッキ槽２５を短くすることが可能となる。

なお、抵抗加熱は、従来ではワイヤ物性を低下させるものとし、発生しないようにメッキが施されていたが、本発明ではニッケルメッキ部に抵抗加熱を与えて溶融しており、ワイヤには熱は伝わらず、ワイヤの物性は低下しない。

以下、実施例に従って本発明を更に詳細に説明するが、本発明を以下の実施例に限定するものではない。

線径０．１８ｍｍのブラスメッキが施された鋼線に、仮付けニッケルメッキ槽で、平均砥粒径２０μｍの砥粒とともにニッケルメッキを施した。ここでのメッキ槽の長さは１ｍ、電圧を４〜１０Ｖの範囲内でメッキを行った。

メッキ槽を出た後、給電ローラで抵抗加熱を与え、ニッケルメッキを溶融し、再度硬化させ、土台部を形成した。

その後、固定ニッケルメッキ槽にて、砥粒を覆うように固定ニッケルメッキを施し、固定砥粒式ソーワイヤを製造した。

表１に、上記の方法で製造した固定砥粒式ソーワイヤを用いてシリコンインゴットを切断した結果を示す。表１の仮付けニッケルメッキ槽長さ、固定ニッケルメッキ槽長さは、従来例を１として、数値が低い方が、メッキ槽の長さが短いことを示している。ワイヤ線速度は、従来例を１として、数値が大きいほうが、線速度が速いことを示している。寿命は、従来例を１として数値が高い方が、寿命が長い（繰返し使用回数が多い）ことを示している。

表１より、従来例に比べて、発明例１〜５は、仮付けニッケルメッキ槽長さ、固定ニッケルメッキ槽長さが短くなり、ワイヤ線速度も速くなっているにもかかわらず、寿命が１．２〜２倍と長くなっていることが確認された。

１０ 固定砥粒式ソーワイヤ
１１ ワイヤ
１２ ブラスメッキ
１３ 仮付けニッケルメッキ
１４ 砥粒
１５ 土台部
１６ 固定ニッケルメッキ
２１ 繰出しリール
２２ ワイヤ
２３ 洗浄槽
２４ 砥粒とニッケルを混合した仮付けニッケルメッキ槽
２５ 固定ニッケルメッキ槽
２６ 洗浄槽
２７ 巻取りリール
３１ 給電ローラ
３２ 陽極
３３ 給電ローラ
４０ ソーマシン
４１ 固定砥粒式ソーワイヤ
４２ 供給リール
４３ メインローラ
４４ 排出リール
４５ 被切断物

Claims (6)

1. ワイヤの長手方向に砥粒を固定した固定砥粒式ソーワイヤであって、
   仮付けニッケルメッキ層で砥粒が仮付けされ、ニッケルメッキの溶融によって当該砥粒の下部がニッケルメッキ層に埋められ、その外周部に固定ニッケルメッキが施されており、
   上記仮付けニッケルメッキの厚さが０．１〜２．０μｍであり、
   上記固定ニッケルメッキの厚さが平均砥粒径の０．１〜０．８倍の厚さであり、
   引張強度が３５００ＭＰａ以上であることを特徴とする固定砥粒式ソーワイヤ。
2. 前記仮付けニッケルメッキ層は、裾広がり状の土台部を有していることを特徴とする請求項１に記載の固定砥粒式ソーワイヤ。
3. 前記砥粒の平均砥粒径は、５〜６０μｍであることを特徴とする請求項１〜２に記載の固定砥粒式ソーワイヤ。
4. 前記平均砥粒径の２０〜７０％が土台部で覆われていることを特徴とする請求項１〜３に記載の固定砥粒式ソーワイヤ。
5. 前記土台部と前記砥粒とのなす角θは、０°以上５°未満であることを特徴とする請求項１〜４に記載の固定砥粒式ソーワイヤ。
6. ワイヤの長手方向に砥粒を固定した固定砥粒式ソーワイヤの製造方法であって、
   当該ワイヤの表面に、砥粒とともに仮付けニッケルメッキして砥粒を仮付けした後、
   上記仮付けニッケルメッキ部に抵抗加熱を与えてニッケルメッキを溶融して上記砥粒の下部をニッケルメッキ層中に埋め込み、さらに裾広がり状の土台部を設けて砥粒を固定し、
   その外周部に固定ニッケルメッキをして砥粒を覆うように固定させることを特徴とする請求項１〜５に記載の固定砥粒式ソーワイヤの製造方法。