(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローラーに懸架した複数のワイヤによって高精度切断するマルチワイヤソーにおいて、メインローラーのシャフトが、機械構造用炭素鋼より熱膨張係数が小さい低熱膨張材からなり、該低熱膨張材のシャフトは、機械構造用炭素鋼からなる該メインローラー軸受部と摩擦圧接法によって接合され、一体的に構成されることを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラー。
【請求項２】
請求項１の低熱膨張材がスーパーインバー、もしくはインバーからなることを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラー。
【請求項３】
請求項１または２のマルチワイヤソー用メインローラーの製造において、摩擦圧接によって該シャフトとメインローラー軸受部を一体的に接合し、その後８００℃〜１０００℃に保持した後、冷却速度を規定することにより、低熱膨張材の熱膨張係数を１×１０-6／℃以下とし、同時にその軸受部の接合相手材である機械構造用炭素鋼の硬度をＨR Ｃ１０以下に調整してなすことを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンインゴット等の切断に用いられるマルチワイヤソーを構成するメインローラーおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板用のシリコンインゴットは単結晶ウエハの大口径化に伴いこれまで主流となっていた内周刃式スライシングマシンからマルチワイヤソーが使用されるようになってきた。このマルチワイヤソーは図４に示すように、１本のワイヤ１０をメインローラー（溝付きローラー）１１に所定のピッチで複数回巻付け往復走行させながら、切削剤としてスラリーを供給し、インゴット１２をフィードユニット１６で制御しながら押付け、一度に多数枚のウエハ切断を行う装置である。（例えば、“半導体基板大口径化に向けての次世代加工技術”１９９６，２，１５、日本機械学会、Ｐ１１参照）
従来、このメインローラー１１は図３に示すように、Ｓ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼シャフト８と機械構造用軸受部４を溶接施工９にて接合してメインローラーを構成していた。しかる後、軸受部４内面を高周波焼入れにより強化して耐摩耗性を向上させ、回転軸と嵌合して使用していた。
【０００３】
前記メインローラーと軸受部の接合として通常の溶接では、母材は一旦融液まで加熱され、その後凝固される。この過程においては、高温割れ感受性の高いインバー材では、硫黄、リン等をかなりのレベルに低め、酸化物及び硫化物の粒界脆化、硫化物の再熱による溶融化等を防止する厳しい対策が必要となる。（例えば、製鉄研究、第３１８号、１９８５，Ｐ４２参照）このことからも、高温割れが発生し易く溶接施工の安定性に難点があった。このため、これまで機械構造用炭素鋼を用いるのが一般的であった。一方、切断精度から、現状の機械構造用炭素鋼では、シリコンインゴットの切断が行われると、ワイヤの往復走行により、切断中加工熱が発生すること、又回転軸からの熱伝達があること等のために約１２×１０-6／℃の熱膨張係数を有する機械構造用炭素鋼は軸方向に膨張し、ワイヤ溝位置を変化させ、そのため切断されるシリコンの厚み精度に問題があった。そこで、現状の溶接接合を前提として、かつ熱膨張率の小さい材料を使用して、ウエハの高精度切断を実現する方法が望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、メインローラーのシャフトに熱膨張係数の小さいインバー材を使用することが有利となる。しかし、インバー材を一体構造として、メインローラー全体を構成する場合には、回転軸との嵌合部での、完全オーステナイト系であるインバー材の使用により硬度が低くなるという問題がある。
【０００５】
また、インバー材のシャフトを従来より用いられている機械構造用炭素鋼と溶接施工により接合することは、前述のように、インバー材に溶接高温割れが生じ易すく接合の安定性が問題となる。
そこで本発明はこのような実情に鑑み、熱膨張係数の小さいインバー材を用いたメインローラーを接合によってシャフトと軸受部を一体化することによって、精度良い切断を可能とするマルチワイヤソー用メインローラー及びその製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明の要旨とするところは下記のとおりである。
（１）ローラーに懸架した複数のワイヤによって高精度切断するマルチワイヤソーにおいて、メインローラーのシャフトが、機械構造用炭素鋼より熱膨張係数が小さい低熱膨張材からなり、前記低熱膨張材のシャフトは、機械構造用炭素鋼からなる前記メインローラー軸受部と摩擦圧接法によって接合され、一体的に構成されることを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラー。
【０００７】
（２）（１）の低熱膨張材がスーパーインバー、もしくはインバーのうちいずれか１種からなることを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラー。
（３）（１）または（２）のマルチワイヤソー用メインローラーの製造において、摩擦圧接によって前記シャフトとメインローラー軸受部を一体的に接合し、その後８００℃〜１０００℃に保持した後、冷却速度を規定することにより、低熱膨張材の熱膨張係数を１×１０-6／℃以下とし、同時にその軸受部の接合相手材である機械構造用炭素鋼の硬度をＨR Ｃ１０以下に調整してなすことを特徴とするマルチワイヤソー用メインローラーの製造方法にある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、インバー材と機械構造用炭素鋼とを摩擦圧接によって一体的に接合した後熱処理を施すことにより、熱膨張を１／１０〜１／１２に低減出来、切断時の発熱による精度の低下を防止でき、また、シャフトとその軸受としての機械的性質を調整して、両者を十分に満足して、かつ、軸受部での従来の高周波焼入れも行なうことが可能であり、耐摩耗性をさらに向上させることが出来る。このことから切断時の温度上昇に対する熱膨張を防止して、ウエハ等の多数片の切断を一度に、かつ精度良く行なうことが出来る。
【０００９】
より具体的には、本発明では図１に示すように、メインローラーの回転軸６との嵌合部５となる軸受部４にはその耐摩耗性を改善するために高周波焼入れの可能な、かつ機械的特性において信頼度の高いＳ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼を採用する。ローラーシャフト１は熱膨張係数の小さい材料として、好ましくはインバー材、もしくはスーパーインバーである。このオーステナイト系のインバー材のシャフト１とＳ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼軸受部４とを接合する方法として、材料間に一定の加圧力を加えた状態で回転させることによって接合する固相接合法としての摩擦圧接法を用いる。シャフトと軸受部４からなる接合面に摩擦熱が発生し、回転側に対して静止側が前進し寄り代としてバリを発生させて一体的に接合して、メインローラーを製作する。本発明の摩擦圧接は図２の接合状況に示すように、その工程は予熱、本加圧およびアプセットの工程により行われる。この時適切な圧接条件を採用する事により安定した接合を行うことが出来る。また、本発明の摩擦圧接は、前記図２のようなブレーキ方式（制動式）または他のフライホイール方式（畜勢式）等によってなされるものである。材料間には摩擦圧力と回転数によって、摩擦熱で局部的に温度上昇が起こる。（最高で融点直下まで上昇）その時、材料は赤熱状態になって軟化し接合面はカールして膨らみ（ばり）を生じてくる。また、回転側に対して、静止側の材料が前進してくる（寄り代）。その際、トルクの急激な上昇を生じ、材料の軟化とともに速やかに安定値となる。このようにして、予熱、本加圧、アプセットと順次荷重を増す。アプセット過程では回転の停止とアプセット荷重により急激に寄り代が生じて接合が完了する。以上の工程について前記図２では、温度、回転数、加圧荷重および摩擦トルクならびに寄り代の変化を模式的に示している。
【００１０】
また、本発明の摩擦圧接では、後述の実施例にあるように、接合面の酸化物、吸着物、汚れ等はばりとなって押し出され、強力な固相接合が行われる。このように、通常溶接である融接にあるような鋳造組織、粗大結晶粒、大気による汚れ等の発生はなく、母材に対して強度の低下はほとんど認められない健全な接合が得られる。
【００１１】
以下、本発明について実施例に基づいてさらに詳述する。
【００１２】
【実施例】
本実施例においては、本発明の摩擦圧接によってメインローラーを製作し、その後に機械加工を容易ならしめるため、およびインバー材の熱膨張係数を低位に安定化させる処理、ならびに軸受部嵌合に必要な硬度を得る処理について等の工程条件の決定のために実施したものである。
【００１３】
本実施例では、表１に示すようなスーパーインバー材（３２Ｎｉ−５Ｃｏ−Ｆｅ）と機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用い、表２に示すような回転数を１６００回転／分とし、予熱荷重２．３〜２．６kg／mm2 、加圧荷重９．６〜１０．０kg／mm2 およびアプセット荷重は１５．５〜１６．０kg／mm2 が安定した接合条件である摩擦圧接条件で摩擦圧接を行なった。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
【表２】
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【００１６】
圧接後の接合部からテストピースを採取し引張りテストを行った。その結果を表３に示す。
【００１７】
【表３】
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【００１８】
これらの結果から、接合するサイズに適した圧接条件（特に寄り代：接合前の材料長さ−接合後の材料長さ）を採用することにより接合は安定して行われることがわかる。サイズＡの場合は２．４mm以上、サイズＢの場合は５mm以上、サイズＣの場合は７mm以上の寄り代条件に於いて接合部ではなく材料強度の低いインバー材側で破断していることからもわかる。
【００１９】
次に摩擦圧接終了後、機械仕上加工を行ってメインローラーを製作した。本実施例ではこの時インバー材の熱膨張係数を従来材より小さく安定させ（要件：Ａ）、同時に機械構造用炭素鋼の機械仕上加工用としての切削性を十分満足させる。（要件：Ｂ）このためのインバー材および機械構造用炭素鋼の熱処理条件を決定する必要があった。表４に示すように機械構造用炭素鋼を８３０℃に保持した後、空冷（Ａ．Ｃ.)を行うことによりＨR Ｃ１０以下の硬度となり容易に機械加工としての切削加工を行うことが出来た。また、表５に示すようにインバー材においても、同じく８３０℃に保持した後、空冷（Ａ．Ｃ.)を行うことにより１．０×１０-6／℃以下の小さい熱膨張係数で、かつ安定化出来ることがわかった。
【００２０】
すなわち、従来では、融接を前提とした溶接施工によりメインローラーを製作し、その後溶接後の歪取り焼鈍が行なわれる。この方法では、オーステナイト系のインバー材は適用が困難であった。しかし本実施例から、摩擦圧接を採用可能とする接合条件を確立し、さらに熱処理として冷却条件を規制することによって、機械構造用炭素鋼の硬度を極端に低め、同時にインバー材の熱膨張を従来材より１／１０〜１／１２に低下させ安定化させることを加熱後の冷却速度を規定することによって可能とした。
【００２１】
【表４】
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【００２２】
【表５】
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【００２３】
このように適切な熱処理条件を採用することにより前記ＡとＢの要件を両立させることが出来た。尚この後、機械構造用炭素鋼軸受部４の嵌合面５には従来より行われている高周波焼入れを施す事により回転軸との嵌合に必要な硬度を与えることができた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱膨張による切断時のメインローラーのガイド溝のずれが防止されるので、大口径シリコンウエハ等の切断片の寸法精度、表面性状が安定したものが得られる。なお、摩擦圧接の最適条件が把握出きたので、接合材の品質レベルを安定化させることが出きた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るメインローラーの構成を示す概要図である。
【図２】本発明の摩擦圧接接合の時間と、接合工程状況を示す説明図である。
【図３】従来のメインローラーの構成を示す概要図である。
【図４】従来のワイヤソーの全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１…低熱膨張材シャフト
２…溝付きスリーブ
３…摩擦圧接接合部
４…軸受部
５…嵌合部
６…回転軸
７…中空部
８…炭素鋼シャフト
９…溶接施工部
１０…ワイヤ
１１…メインローラー
１２…インゴット
１３…端材ボックス
１４…スラリノズル
１５…モーター
１６…フィードユニット
１７…巻取りリール
１８…新線リール
１９…ダンサロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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