JPH11277398A - 脆性材料切断用ワイヤ工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工部への加工液の十分な供給が可能で、製
造が容易で、材料切断時の加工能率及び耐久性に優れた
ダイヤモンド電着ワイヤ工具を提供する。 【解決手段】 複数の素線１を縒り合わせて芯線２を形
成し、その芯線の表面に砥粒３を一様に電着した。素線
１の数は、２または３とするのが好ましい。砥粒３はダ
イヤモンド砥粒が適しており、複数の素線１を予め縒り
合わせて形成した芯線２を砥粒３を充填したニッケルメ
ッキ槽に通して、芯線２の表面に一様に砥粒３を電着す
る。複数の素線１を縒り合わせることにより、素線相互
の間に形成されるスパイラル状の谷部が加工液及び切粉
の通路となる。素線径は単一素線のものより小さくなる
が、ピアノ線などは線径が細くなるほど単位面積当たり
の抗張力が大きくなる素線１を縒り合わせるとき、各素
線自体に捩じれを与えないで縒り合わせるようにするの
がより好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、単結晶シリコ
ン、水晶、アモルファスシリコン等の脆性材料の切断加
工に用いるワイヤ工具に関するもので、ピアノ線などの
芯材の表面に電着した砥粒で材料（工作物）を切除して
切断を行うワイヤ工具とその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスには、ＩＣ基板に用いら
れる単結晶シリコン、発振子に用いられる水晶、太陽電
池や光センサ等に用いられるアモルファスシリコン等の
脆性材料が使われており、これらの材料を高純度、高精
度かつ低価格で製造する技術は、高度エレクトロニクス
社会を支える技術として極めて重要になっている。半導
体デバイスの製造に必要な脆性材料の加工工程の一つ
に、インゴットから多数枚の薄いウエハを切り出すスラ
イシング加工工程がある。スライシング加工において
は、加工による欠損や加工クラック層をできる限り軽減
化することが要求されており、その要求を満たす加工法
として砥粒加工法が広く用いられている。

【０００３】砥粒加工法には固定砥粒方式と遊離砥粒方
式とがあり、脆性材料の切断加工には固定砥粒方式の内
周刃ブレードソーと遊離砥粒方式のマルチワイヤソーと
が主に用いられている。固定砥粒方式は、工具１個当た
りの切断能率は高いが、砥粒の摩耗や目詰まりにより加
工を繰り返すに従って加工能率が低下すること、加工ク
ラックが大きいこと等の欠点がある。また内周刃ブレー
ドソーは、インゴットの大口径化に対応するブレードの
大型化に限界があり、多数の工具で同時加工を行うマル
チソーを実現することが困難であるという欠点がある。

【０００４】一方、ワイヤソーは、長いワイヤを２個の
多溝プーリの間に複数回巻回することにより、マルチソ
ーを容易に実現でき、多数枚のウエハを同時切断するこ
とで加工能率の向上を図れ、またインゴットの大口径化
への対応も容易である。しかし遊離砥粒方式は、ワイヤ
１本当たりの加工能率が悪く、砥粒を含んだ加工液（ス
ラリー）を大量に流出しながら加工を行うので、スラリ
ーにより材料や加工機械が汚損される問題や、使用済ス
ラリーの廃棄という問題が生ずる。

【０００５】そこでワイヤソーの長所と固定砥粒方式の
長所とを兼ね備えた工具として、ダイヤモンド電着ワイ
ヤが提案された。これはピアノ線などの芯線の表面にニ
ッケルメッキによりダイヤモンド砥粒を電着した工具
で、固定砥粒方式の工具であるから、遊離砥粒方式のワ
イヤソーに比べてはるかに高い切断能率が得られ、かつ
軽油や水などの流動性の高い加工液を用いて切断を行え
るという長所がある。しかしダイヤモンド電着ワイヤ工
具は、工具自体の製造に手数がかかって高価になるた
め、長尺のワイヤ工具を製造することが困難で、遊離砥
粒方式の場合に比べて短いワイヤを用いて切断加工が行
われ、ワイヤ単位長さ当たりの切断負荷が大きく、加工
を繰り返す間に砥粒の摩耗、脱落、目詰まり等による加
工能率の低下が生ずる問題や、加工負荷の増大に起因す
るワイヤ張力の増大によってワイヤの切断事故が発生す
るという問題が生じている。

【０００６】そこでこの発明の発明者らは、ダイヤモン
ド電着ワイヤ工具の切断能率をさらに向上させ、かつワ
イヤ工具の長寿命化を図ることを目的として、芯線の周
囲にダイヤモンド砥粒をスパイラル状に電着し、かつ砥
粒が電着されていない部分に溝を形成したワイヤ工具を
提案している。このような工具によれば、加工液がワイ
ヤ表面の溝を通って加工部に円滑に供給されるため、切
粉が洗い流されて砥粒の摩耗や目詰まりを低減でき、ダ
イヤモンド電着ワイヤ工具の加工能率の向上と長寿命化
に寄与できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしワイヤの表面に
砥粒をスパイラル状に電着した工具は、ワイヤ表面にス
パイラル状にマスキングを施す工程や、ワイヤ表面にス
パイラル状の溝を形成する工程など、余分の工程を必要
とし、かつそれらの工程の生産性を上げることが比較的
困難である。そのため製造コストが高くなり、工具を安
価に供給することができないという問題が生じた。また
加工部に加工液を十分に供給しようとすると、ワイヤ表
面の溝を深くしなければならず、そうするとワイヤの断
面積の低下と応力集中により、ワイヤの強度が低下して
ワイヤが折損しやすくなり、これを避けるためにワイヤ
を太くすると、スライシング加工時の材料の切除量の増
加により、加工能率と材料の歩留まりの低下が起こると
いうジレンマがある。

【０００８】この発明はこれらの問題を解決した脆性材
料切断用のダイヤモンド電着ワイヤ工具を得ることを目
的としてなされたもので、加工部への加工液の十分な供
給が可能で、工具を能率良くかつ容易に製造することが
可能で、材料切断時の加工能率及び耐久性のより優れた
砥粒電着ワイヤを得ることを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明では、複数の素
線１を縒り合わせて芯線２を形成し、その芯線の表面に
砥粒３を一様に電着したワイヤ工具を提供することによ
り、上記課題を解決している。芯線を形成する素線１の
材質には、従来の芯線と同様抗張力の大きな金属線材、
一般的にはピアノ線を用いる。１本の芯線２を形成する
素線１の数は、２または３とするのが好ましい。砥粒３
はダイヤモンド砥粒が適しており、複数の素線１を予め
縒り合わせて形成した芯線２を砥粒３を充填したニッケ
ルメッキ槽３５に通して、芯線２の表面に一様に砥粒３
を電着する。

【００１０】得られたワイヤ工具は、図１及び図２に示
すように、縒り合わされた素線１の露出している表面に
砥粒３がニッケルメッキ層４を介して電着された構造と
なる。複数の素線１を縒り合わせることにより、素線相
互の間に形成されるスパイラル状の谷部（チップポケッ
ト）が加工液の通路となる。

【００１１】スライシング加工に際してのワイヤ工具の
実質的な直径Ｄを従来の単一素線からなる芯線と同じに
するには、素線の径は２本縒りのもので１／２、３本縒
りのもので１／２．１５としなければならない。従って
芯線の断面積はそれぞれ０．５、０．６５となり、単一
素線の場合より当然小さくなるが、ピアノ線などは線径
が細くなるほど単位面積当たりの抗張力が大きくなるの
で、芯線の抗張力の低下はわずかで済み、応力集中がな
いので、表面に溝加工をした単一素線に比べれば抗張力
はかえって大きくなる。

【００１２】またスライシング加工中にワイヤに捩じれ
を生じて剪断応力が発生するが、素線径が細いために捩
じれによって生ずる剪断応力の値は小さく、この点での
耐久性は大きく改善される。複数の素線１を縒り合わせ
るとき、各素線自体に捩じれを与えないで縒り合わせる
ようにすれば、素線内に縒り合わせによる残留応力を生
じないので、より好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】図３はこの発明の脆性材料切断用
ワイヤ工具７（以下縒り線ワイヤ工具という）の製造装
置の概要を示した図である。図示実施態様の装置は、縒
り線装置１１、砥粒電着装置３１及び巻取装置５１の３
つの装置から構成されている。縒り線装置１１において
は、芯線となる縒り線ワイヤ６が作製され、次に砥粒電
着装置３１でこの縒り線ワイヤにダイヤモンド砥粒がニ
ッケルメッキによって電着される。そして作製された縒
り線ワイヤ工具７が巻取装置５１によってボビンに巻き
取られる。縒り線装置１１のボビン支持アームの回転数
と、巻取装置５１のボビン５２の巻取速度を変化させる
ことにより、任意の縒りピッチを有する縒り線ワイヤ工
具を作製することができる。

【００１４】図４は縒り線装置を示す斜視図である。基
台１２に装着した軸受１３、１３で回転自在に軸支され
た主軸１４の先端に回転アーム１５が取り付けられてお
り、この回転アームの両端の主軸中心から等しい距離の
ところに、主軸１４と平行な軸まわりに自由回転可能に
ボビンホルダ１６が装着されている。ボビンホルダ１６
には、主軸１４と直交する軸まわりに素線となるピアノ
線１を巻回したボビン１８が回転可能に装着されてい
る。図４ではボビン及びボビンホルダの一方と回転アー
ムの片側部分がその背後の歯車列を示すために想像線で
示されている。

【００１５】回転アーム１５の背後には、主軸１４と同
軸にして太陽歯車１９が基台１２に固定して設けられて
おり、回転アーム１５に自由回転可能に軸着した中間歯
車２０が太陽歯車１９に噛合し、この中間歯車にボビン
ホルダ１６に固定した遊星歯車２１が噛合している。主
軸１４の後端にはプーリ２２が装着されており、ベルト
２３を介してモータ２４が連結されている。

【００１６】モータ２４で主軸１４を回転しながら２個
のボビン１８からピアノ線１を引き出すと、２個のボビ
ンの公転運動により、引き出された２本のピアノ線は縒
り合わされる。一方太陽歯車１９、中間歯車２０及び遊
星歯車２１の作用により、各ボビン１８は回転アーム１
５に対して主軸１４の回転方向と逆方向に同一速度で回
転駆動させられ、ボビン１８は自転しない。すなわちボ
ビン１８は常に等しい方向を保ち、従ってボビンから引
き出された２本のワイヤはそれぞれのワイヤ自体には縒
りがかかっていない状態で縒り合わされる。

【００１７】このようにして製作された縒り線ワイヤ６
は、陰極電極３２に接触し、アセトン槽３３を通ってワ
イヤ表面が脱脂され、さらに１０％塩酸槽３４を通って
表面の活性化が図られ、電着メッキ槽３５に送られる。

【００１８】表面を脱脂、活性化された縒り線ワイヤ６
は、電着メッキ槽３５の両側に配置したニッケル板３７
を陽極、縒り線ワイヤ６自身を陰極としてニッケルメッ
キされる。第１槽３５ａでは縒り線ワイヤ６にニッケル
のみが予備メッキされ、メッキ層４とピアノ線表面との
付着力を確実にする。

【００１９】次に縒り線ワイヤ６は（図６は電着メッキ
槽の第２槽３５ｂの要部を示した図である。）第２槽３
５ｂに設けた砥粒槽３５ｇに導かれる。メッキ液中に設
けた砥粒槽３５ｇ内の空間には、ダイヤモンド砥粒３が
充填されている。砥粒槽３５ｇの壁板４０には、直径１
０ｍｍ程度の孔４１が明けられており、そこにテフロン
膜４２が張られ、ダイヤモンド砥粒３の流出を防ぐと共
にメッキ液の流入を可能にしている。また、メッキ液の
砥粒槽内への流入を促進するために、メッキ液吸入用パ
イプ４３が砥粒槽下部に設けられており、図示しない液
送ポンプで常時吸引されている。砥粒槽３５ｇの上部に
は、縒り線ワイヤ６への砥粒の着床に伴うダイヤモンド
砥粒の減少によって砥粒槽３５ｇ内に空洞が生じないよ
う、板状の錘３８を挿入して荷重を加えている。

【００２０】砥粒槽３５ｇにおいて、縒り線ワイヤ６の
表面に接触しているダイヤモンド砥粒がメッキ層４と共
に縒り線ワイヤ６の表面に着床する。そのあと縒り線ワ
イヤ６は第３槽３５ｃに導かれ、ワイヤ表面の着床の浅
いダイヤモンド砥粒をさらに埋めて固定するために、ニ
ッケルメッキのみが行われる。

【００２１】こうして表面にダイヤモンド砥粒を電着さ
れた縒り線ワイヤ工具７は、洗浄槽３６を通って洗浄さ
れた後、巻取装置５１でボビン５２に巻き取られる。

【００２２】図５は巻取装置の斜視図である。巻取ボビ
ン５２は、タイミングベルト３５及びタイミングプーリ
５４を介してモータ５５によって駆動されている。ま
た、巻取ボビン５２の回転力は、クランク機構を有する
継手を介してラチェット爪５６に伝達され、ラチェット
爪５６を往復運動させてラチェットホイール５７を間歇
回転させる。ラチェットホイール５７は、巻き取りボビ
ン５２が１回転するごとに１ピッチ回転するようになっ
ている。この回転運動は歯車５８、５９を介して円筒カ
ム６０に伝達されている。巻き取りボビン５２の手前に
は、縒り線ワイヤ工具７を案内するガイドプーリ６１、
６１を取り付けたスライダ６２がボビン軸と平行に摺動
自在に設けられており、その下方に突出したピン６３が
円筒カム６０にコイルバネ６４の復元力によって押しつ
けられている。巻取ボビン５２の回転に伴ってスライダ
６２が往復運動し、砥粒を電着されたワイヤ工具は、巻
取ボビン５２に整列巻き付けされる。

【００２３】次にこのようにして製作した縒り線ワイヤ
工具の切断試験の結果を述べる。切断試験に供した装置
は、図７に概略機構を示す往復動型切断加工装置で、縒
り線ワイヤ工具７の巻取り及び送出し部７１、切断加工
部７２及びワイヤ張力調整部７３を備えている。縒り線
ワイヤ工具７の一端は二連ドラム７４の片側に巻回され
ており、ガイドプーリ７５を介して張力調整部７３及び
切断加工部７２を通り、他端が二連ドラム７４の反対の
側に巻回されている。二連ドラム７４は１８度の傾斜を
つけて設置されており、縒り線ワイヤ工具７が送出し及
び巻取りされる際に隣合う縒り線ワイヤ工具相互が重な
り合って、縒り線ワイヤ工具が損傷するのを防止してい
る。

【００２４】二連ドラム７４はステッピングモータ７６
に連結されて正転及び逆転することにより、縒り線ワイ
ヤ工具７は往復運動して切断加工部７２において工作物
（脆性材料）７７を切断する。ワイヤ工具７の張力はト
ルクモータ７８により構成された張力調整部７３におい
て一定に保持される。

【００２５】図１０に素線径０．１ｍｍφ、縒りピッチ
２、５及び１０ｍｍと三段階に設定して作製された縒り
線ワイヤ工具を用いて、切断回数が３０回に達するまで
切断加工を行った際に得られた切断能率の挙動を従来の
単一素線のワイヤ工具の切断能率と比較して示した。同
図の黒丸は縒りピッチ２ｍｍの縒り線ワイヤ工具、黒三
角は縒りピッチ５ｍｍの縒り線ワイヤ工具、黒四角は縒
りピッチ１０ｍｍの縒り線ワイヤ工具、白丸は素線径
０．２ｍｍφの単一素線ワイヤ工具である。縒り線ワイ
ヤ工具はいずれのピッチにおいても単一素線ワイヤ工具
より高い切断能率を示し、特にピッチが小さくなるにつ
れて切断能率は向上した。

【００２６】この理由を図８及び９に示す加工モデル図
によって説明する。図８の単一素線ワイヤ工具の場合、
加工部に供給される加工液はワイヤ工具表面の砥粒間か
らのみ流入可能であり、加工部にまで供給される加工液
量は実際に供給されている量に比べて極度に少ないと考
えられる。このことから研削熱の放熱が行われ難いのみ
ならず、切屑の排出性が低いことに起因して切屑が砥粒
のまわりに残留しやすく、砥粒の目詰まりを引き起こ
し、ワイヤ工具の切削性能を劣化させる。

【００２７】一方、図９の縒り線ワイヤ工具の場合は、
芯線として縒り線を用いることから、ワイヤ工具表面に
チップポケットとなる谷部が形成されており、加工部へ
の加工液の流入が助長され、切屑の排出が速やかに行わ
れるため、砥粒の目詰まりによる切断性能の劣化を防止
できる。縒りピッチが小さくなるにつれて高い切断能率
を示すことから、チップポケットの作用はピッチが小さ
くなるほど向上し、切屑の排出効果が顕著になるものと
考えられる。このことから、縒り線ワイヤ工具を用いる
ことにより、従来の単一素線ワイヤ工具に比べて切削性
能を大幅に向上させることができるのみならず、長寿命
化が可能であることが明らかになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の縒り線ワイヤ工具の平面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面図

【図３】ワイヤ工具の製造装置の概要図

【図４】製造装置における縒り線装置の斜視図

【図５】製造装置における巻取装置の斜視図

【図６】製造装置における電着メッキ槽の第２槽の要部
斜視図

【図７】切断加工装置の斜視図

【図８】従来のワイヤ工具を用いて加工したときの模式
図

【図９】縒り線ワイヤ工具を用いて加工したときの模式
図

【図１０】切断回数と切断能率のグラフ

【符号の説明】

１ 素線 ２ 芯線 ３ 砥粒 ４ ニッケルメッキ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大多 健太郎 石川県石川郡野々市町扇が丘７の１ 金沢 工業大学内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の素線を縒り合わせて形成した芯線
   の表面に砥粒を一様に電着してなる脆性材料切断用ワイ
   ヤ工具。
2. 【請求項２】 芯線を形成する素線の数が２または３で
   あり、砥粒がダイヤモンド砥粒であり、電着メッキ層が
   ニッケルメッキ層である、請求項１記載の脆性材料切断
   用ワイヤ工具。
3. 【請求項３】 ２本または３本の素線を縒り合わせて芯
   線を形成する工程と、縒り合わせた素線の表面を洗浄し
   てその露出した表面に砥粒を電着メッキする工程と、砥
   粒を電着した芯線を巻き取る工程とを含んでなる、脆性
   材料切断用ワイヤ工具の製造方法。
4. 【請求項４】 芯線を形成する複数の素線が同一軸まわ
   りに公転しかつ自転しない複数のワイヤボビンから供給
   されて縒り合わされることを特徴とする、請求項３記載
   の脆性材料切断用ワイヤ工具の製造方法。