(57)【要約】【課題】インゴット等を精度よく切断できるワイヤーソー用メインローラーと、このメインローラーを備えたワイヤーソーを提供する。【解決手段】ワイヤーソー用のメインローラー２０は、円筒状の鋼、炭素繊維強化合成樹脂またはセラミックス製のローラー本体２１と、該ローラー本体２１の外周に装着された円筒状外装体２２と、ローラー本体２１の両端に装着されたボス部２４とを備えている。外装体２２は炭素繊維含有合成樹脂よりなる。合成樹脂としてはウレタン又は高密度ポリエチレン等が用いられる。外装体を構成する合成樹脂に炭素繊維を含有させることによって、外装体の熱膨張率を低くできることから、このメインローラー２０を備えたワイヤーソーによってインゴット等を高精度で切断することができる。【選択図】図１
2011255461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のローラー本体と、該ローラー本体の外周を取り巻く筒状の合成樹脂外装体を有し、該外装体の外周面にワイヤ溝が設けられたワイヤーソー用のメインローラーにおいて、該外装体は、炭素繊維を含有した合成樹脂製であることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項２】
請求項１において、前記外装体の軸方向の熱膨張係数が１．０×１０-６〜１５０×１０-６／℃であることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記炭素繊維含有合成樹脂は、炭素繊維を０．１〜６０重量％含有することを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記炭素繊維の平均繊維長が０．０１〜１０ｍｍであることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、前記炭素繊維の繊維径が３〜１５μｍであることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、前記炭素繊維の軸方向の熱膨張係数が-１．５×１０-６〜１．０×１０-６／℃であることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記炭素繊維がピッチ系炭素繊維であることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項において、前記合成樹脂がウレタンまたは高密度ポリエチレンであることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項において、前記合成樹脂外装体の厚みが１〜３０ｍｍであることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項において、ローラー本体が炭素繊維強化合成樹脂製で、合成樹脂外装体に炭素繊維を含むことを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項において、前記ローラー本体に外装体が設けられた後、該外装体の外周面にワイヤ溝が形成されたものであることを特徴とするワイヤーソー用メインローラー。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか1項において、前記ローラー本体は、全体として一体の筒形状であるか、又は円弧柱状のパーツを筒状に組み合わせた組合せ体よりなることを特徴とするワイヤーソー用のメインローラー。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のワイヤーソー用メインローラーを備えてなるワイヤーソー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤーソーと、それに用いられるメインローラーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単結晶・多結晶などシリコンインゴット等の半導体切断には、従来、内周刃切断機やバンドソーが使われていたが、切断ロスを少なくし、単位時間あたりの生産性を向上させるためにワイヤーソーが一般的に用いられるようになってきた。ワイヤーソーの概略構成を２図に示す。ワイヤーソー１は、インゴット等の被削物２との間でワイヤ３を往復させながら、徐々に新しいワイヤを供給するよう構成されており、ワイヤは予めリール４に数キロメートル巻かれている。メインローラー５同士は、所定の間隔で配置されており、メインローラー５近傍には、切削液ノズル６が設けられている。メインローラー５の外周面には、被削物２の所望する厚みに応じて、溝が設けられている。２つのリール４の間で両端が巻き付けられたワイヤ３は、この溝にガイドされながら、メインローラー５の間を往復するように張架されている。
【０００３】
ワイヤーソー１を用いて切削物２を切断する場合、メインローラー５及びリール４をモーターで回転させ、ワイヤ３を２つのリール４の間で往復運動させる。このワイヤ３に被削物２を押圧することにより、被削物２は多数枚の基板に加工される。この際、メインローラー５の外周面に形成された溝と被削物２の間には、ワイヤ３の走行方向に切削液ノズル６から、砥粒が液体に分散された、いわゆるスラリが供給され、ワイヤ３の走行方向に同伴され切削部へ到達する。
【０００４】
特開２００１−１３８２０４号公報の第０００２段落に記載されているように、Ｓ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼と機械構造用軸受部を溶接施工によって接合し、メインローラーを構成する。その外周面に樹脂を巻きつけ、ワイヤガイド溝を作成するのが一般的であったが、外周面の樹脂とワイヤの摩擦熱によって熱膨張が発生し、被加工物の加工精度が低下する。そこで、同号公報では、円筒状セラミックと、金属−セラミックス複合体よりなる支持体によってワイヤーソーローラーを構成することを提案している。
【０００５】
このようなワイヤーソー装置による加工作業性の向上を目的として、ワイヤ、メインローラー、メインローラー外装体の改良が検討されている。
【０００６】
ワイヤについては、固定砥粒ワイヤを使用することにより、切断速度の向上や切断に使用するワイヤ量を削減することが行われている。また、メインローラーについては、ウェハの切削精度を向上させるために、鉄よりも低い熱膨張係数を持つセラミックス材料を使うことが提案されている。メインローラーの外装体は、高密度ポリエチレンからウレタン樹脂へ材質を変更し、寿命を向上させ交換サイクルの短縮が図られている。
【０００７】
ワイヤーソーの問題点の一つに、被削物を加工した後に得られるウェハのソリ（反り）が大きいことがある。ウェハのソリの原因の一つに、加工で発生した熱によって、メインローラー等が熱膨張することが挙げられる。即ち、切削負荷が加わった状態で、メインローラーを高速で回転させるため、ベアリングが摺動発熱し熱膨張を引き起こす。また、被削物を加工中は、被削物とワイヤが接触し摩擦発熱を引き起こす。その加工熱が、メインローラーへ伝達し熱膨張を引き起こす。さらには、ワイヤはメインローラーで駆動されているため、ワイヤの滑りによる摩擦熱が発生する。この摩擦熱もメインローラーへ伝達し熱膨張を引き起こす。
【０００８】
特許第３７３４０１８号公報にベアリングの摺動発熱を抑制する方法の一例として、メインローラーのベアリング部を温度制御して、切断時の摩擦熱等による熱膨張を抑制する方法が採用されており、ウェハのソリはある程度改善されていると記載されている。また、同公報に被削物とワイヤが接触し摩擦発熱を抑制する方法の一例として、温度制御された切削液の一部をメインローラーの外面に供給し得られたウェハのソリレベルや局所的なソリを改善する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１３８２０４号公報
【特許文献２】特許第３７３４０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１（特開２００１−１３８２０４）のように、円筒状ローラーをセラミックスとし、ローラー支持部を金属−セラミックス複合材料とすることにより、鋼製ローラー本体に合成樹脂製外装体を設けたものと比較して、熱膨張係数は小さくなるものの、加工が難しく、価格は高価となり、好ましくない。特許文献２（特許第３７３４０１８）のように、砥粒を含む切削液をローラーの外装体に供給し、メインローラー外装体の温度上昇を抑制すると同時にワイヤーソーの各部の熱膨張率と温度からシミュレーションして求めたウェハのソリ形状が平坦になるように温度制御する方法は、装置が複雑となり、好ましくない。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題を解決し、ワイヤに最も近いローラー外装体の熱膨張率を下げることに着目し、該外装体の熱膨張率を下げる方法を提供することを目的とする。なお、本手段は、低熱膨張のローラー、例えば炭素繊維強化合成樹脂製のローラーとの組合せで使用する事により、さらに効果的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明（請求項１）のワイヤーソー用のメインローラーは、筒状のローラー本体と、該ローラー本体の外周を取り巻く筒状の合成樹脂外装体を有し、該外装体の外周面にワイヤ溝が設けられたワイヤーソー用のメインローラーにおいて、該外装体は、炭素繊維を含有した合成樹脂製であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１において、前記外装体の軸方向の熱膨張係数が１．０×１０-６〜１５０×１０-６／℃であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１又は２において、前記炭素繊維含有合成樹脂は、炭素繊維を０．１〜６０重量％含有することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記炭素繊維の平均繊維長が０．０１〜１０ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記炭素繊維の繊維径が３〜１５μｍであることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし５のいずれか１項において、前記炭素繊維の軸方向の熱膨張係数が-１．５×１０-６〜１．０×１０-６／℃であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし６のいずれか１項において、前記炭素繊維がピッチ系炭素繊維であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし７のいずれか１項において、前記合成樹脂がウレタンまたは高密度ポリエチレンであることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項９のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし８のいずれか１項において、前記合成樹脂外装体の厚みが１〜３０ｍｍであることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１０のワイヤーソー用メインローラーは、請求項１ないし９のいずれか１項において、ローラー本体が炭素繊維強化合成樹脂製で、合成樹脂外装体に炭素繊維を含むことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１１のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし１０のいずれか１項において、前記ローラー本体に外装体が設けられた後、該外装体の外周面にワイヤ溝が形成されることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１２のワイヤーソー用のメインローラーは、請求項１ないし１１のいずれか1項において、前記ローラー本体は、全体として一体の筒形状であるか、又は円弧柱状のパーツを筒状に組み合わせた組合せ体よりなることを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１３のワイヤーソー用メインローラーは、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のワイヤーソー用メインローラーを備えていることを特徴とするワイヤーソーである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明者らは、上記問題を解決すべく鋭意研究した結果、ローラー外装体を構成する合成樹脂に炭素繊維を含有させることにより、外装体の熱膨張率を低下させることができることを見出した。本発明は、かかる知見に基づくものである。
【００２６】
即ち、炭素繊維は合成樹脂より熱膨張係数が低いため、合成樹脂に炭素繊維を含有させることにより、熱膨張係数を１．０×１０-６〜１５０×１０-６／℃程度の低熱膨張率にすることが可能であり、これにより、ワイヤーソーの切断精度を向上させることが可能となる。
【００２７】
本発明のワイヤーソー用メインローラー外装体は、鉄製または炭素繊維強化合成樹脂製またはセラミック製のローラー本体に対し、筒状の炭素繊維含有合成樹脂製外装体を設け、次いで外装体にワイヤ溝を形成するのが好ましい。例えば、予めローラー本体の外径に適合する炭素繊維を含んだ合成樹脂を硬化させて円筒状の外装体を形成し、必要に応じて接着剤を使用し、この外装体の中空部にローラー本体を圧入した後、ワイヤ溝を形成する。もしくは、必要に応じてローラー外周面に接着剤を塗布後、ローラー本体を金型内に配置し、ローラー本体と金型内周面との間に炭素繊維を含んだ合成樹脂材料を注入して外装体を形成し、脱型後、ワイヤ溝を形成する。このようにワイヤ溝を後から形成することにより、ワイヤ溝を高精度に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態に係わるワイヤーソー用メインローラーの断面図である。
【図２】ワイヤーソー装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００３０】
第１図は実施の形態に係わるワイヤーソー用メインローラー２０のメインローラー軸心線方向の断面図である。このワイヤーソー用メインローラー２０は、円筒状のローラー本体２１と、該ローラー本体２１の外周に設けられた円筒状の外装体２２と、ローラー本体の両端に装着されたボス部２４とを備えている。この外装体２２は、炭素繊維含有合成樹脂製である。なお、ボス部２４は、ローラー本体２１の一端側にのみ装着されてもよい。
【００３１】
外装体２２は、通常は外径（直径）Ｄが１００〜５００ｍｍ、特に１６０〜４００ｍｍ程度である。外装体２２の内径はローラー本体の外径に依存するが、肉厚（合成樹脂外装体の外周半径と内周半径との差）は、３〜２５ｍｍ、特に５〜２０ｍｍ程度であることが好ましい。外装体２２の軸心線方向長さＬは、通常５０〜２０００ｍｍ、特に３００〜１２００ｍｍ程度である。
【００３２】
ワイヤ溝２３のピッチは、スライスされたウェハ等の厚みに応じて設定される。溝２３の断面形状は、Ｖ型が好適である。ワイヤ溝２３は、切削加工によって外装体２２の外周面に設けるのが簡便で好適であるが、外装体の成形用金型に凸部を設けておくことによって形成されてもよい。ただし、これらの寸法は、好適な一例を示すものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
外装体２２を構成する炭素繊維含有合成樹脂の合成樹脂としては、ウレタン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリプロピレン、特にウレタン又は高密度ポリエチレンとりわけウレタンが好適である。
【００３４】
外装体２２を構成する炭素繊維含有合成樹脂中の炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、特にピッチ系炭素繊維が好適である。炭素繊維の平均繊維径は５〜２０μｍ、特に７〜１３μｍが好適であり、平均繊維長さは０．０１〜１０ｍｍ特に０．０５〜６ｍｍが好適であり、平均アスペクト比（繊維長/繊維径）は０．５〜２０００特に３〜８６０が好適である。なお、炭素繊維の長さが過度に短いと、外装体熱膨張率を十分に小さくすることができず、過度に長いと、合成樹脂中に均一に分散させにくくなる。
【００３５】
炭素繊維含有合成樹脂中の炭素繊維の割合は、１〜６０重量％特に５〜６０重量％とりわけ１０〜６０重量％程度が好適である。
【００３６】
外装体をウレタン樹脂で製造するには、注型法によるのが好適である。即ち、ローラー本体を金型内に配置し、ウレタン主剤やウレタン硬化材に炭素繊維を添加混合してなる注型材料をローラー本体の外周面と金型の内周面との間に流し込み、その後、加温しウレタンを硬化させ一体化させる。なお、必要に応じてローラー本体の外周面に接着剤を塗布しても良い。接着剤としては、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤などを用いることができるが、これに限定されない。
【００３７】
その後、外周面の凹凸を旋盤等により除去して平滑な円筒面とし、次いでワイヤ溝を切削加工により形成する。
【００３８】
この炭素繊維含有合成樹脂製外装体の熱膨張係数は、１．０×１０-６〜１５０×１０-６／℃特に１．０×１０-６〜１４０×１０-６／℃とりわけ、１．０×１０-６〜１００×１０−６／℃であることが好ましい。
【００３９】
ローラー本体２１の材質は、炭素繊維強化合成樹脂製または鋼製が好ましい。ボス部２４は、Ｓ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼、アルミ合金、低熱膨張率金属材料などによって構成されるのが好ましい。ローラー本体２１とボス部２４は、金属同士の場合、溶接または接着により接合されることが好ましい。
【００４０】
このように構成されたメインローラー２０は、前記第２図のようにワイヤーソー装置に組み込まれ、単結晶・多結晶シリコンインゴット、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、サファイア、ＳｉＣ、III族窒化物半導体等の切断に用いられる。
【００４１】
このメインローラー２０の外装体２２は、炭素繊維含有合成樹脂製であり、熱膨張率が低いので、インゴット等を高精度にて切断することが可能である。
【００４２】
なお、メインローラー２０を使用していると、外装体２２が次第に摩耗してくるので、外装体２２の表層部分を旋盤等で除去し、再度ワイヤ溝を形成するのが好ましい。また、外装体の厚みが薄くなった場合、適宜外装体を交換する。外装体を交換するには、旋盤加工することによって既存の外装体を除去し、その後、前述方法によって新たな外装体を形成するのが好ましい。
【００４３】
本発明の合成樹脂外装体は、ワイヤ自体にダイヤを固着しているいわゆる、固定砥粒ワイヤで被削物を加工する場合も使用可能である。
【００４４】
上記実施の形態では、ローラー本体２１は全体として一体の円筒形状であるが、複数の円弧柱状のパーツを筒状に組み合わせた組合せ体であってもよい。
【００４５】
例えば、半割円筒体（半円弧柱状体）を２個組み合わせて筒状とした組合せ体にて構成されてもよく、円筒を三分割した中心角１２０°の円弧状柱状体を２個組み合わせて筒状とした組合せ体にて構成されてもよい。四分割以上に分割された円弧状柱状体を組み合わせて筒状とした組合せ体にて構成されてもよい。
【００４６】
各パーツ同士は密着状に当接されてもよく、相互間に若干の隙間があくように筒状に組み合わされてもよい。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例及び比較例について説明する。なお、以下の比較例で用いたウレタンは、成形後の物性が、ショアー硬度９０、引張強度５４ＭＰａ、引裂強度１２０ｋＮ/ｍを使用した。また、実施例は比較例で用いたウレタンに炭素繊維を混合した。
炭素繊維としては、平均繊維径１１μｍ、繊維長２００μｍの炭素繊維（三菱樹脂株式会社製「Ｋ２２３ＨＭ」）を使用した。
【００４８】
［実施例１］
ウレタン主剤に炭素繊維を添加して混練した。炭素繊維の含有量は、ウレタン主剤と硬化剤の合量の１０重量％とした。混練時に発生した気泡を除去するために１．５時間静置して炭素繊維含有ウレタン主材とした。この炭素繊維を含有したウレタン主剤とウレタン硬化材と混ぜ、注型材料とした。
【００４９】
また、外径２００ｍｍ、長さ５００ｍｍの鉄製のワイヤーソー用ローラー本体の表面にエポキシ系接着剤を均一に塗布し乾燥させ、注型用の金型中に挿入した。次いで、硬化炉内にこの金型を配置した後、金型の内周面とローラー本体の外周面との間隙に上記注型材料を流し込み、１２０℃に９時間保持し、硬化させ、ワイヤーソー用メインローラーを製造した。
【００５０】
また、この注型材料を５０ｍｍ×５０ｍｍ×１２０ｍｍのキャビティを有した別の金型に注型し、これを同じ硬化炉内に入れ硬化させ、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１２０ｍｍの熱膨張率試験用サンプルを製造した。
【００５１】
［実施例２］
注型材料中の炭素繊維含有量を２０重量％としたこと以外は、実施例１と同様の条件にてワイヤーソー用メインローラーと熱膨張率試験用サンプルを製造した。
【００５２】
［実施例３］
注型材料中の炭素繊維含有量を３０重量％としたこと以外は、実施例１と同様にしてワイヤーソー用メインローラーと熱膨張率試験用サンプルを製造した。
【００５３】
［比較例１］
注型材料中に炭素繊維を含有させなかったこと以外は、実施例１と同様にしてワイヤーソー用メインローラーと熱膨張率試験用サンプルを製作した。
【００５４】
実施例１〜３と比較例１で製造した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１２０ｍｍの熱膨張率試験用サンプルから６ｍｍ×６ｍｍ×１００ｍｍの平板よりなる試験片を切り出し、真空理工製の横型熱膨張計ＤＬＹ−９２００を使用して熱膨張率を測定した。結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
2011255461.tif 000003
【００５６】
表１から明らかなように、ウレタンに炭素繊維を含有させることによって、ウレタンの軸方向の熱膨張を低くすることが可能である。また、炭素繊維を含有する合成樹脂外装体を使うことによって、インゴット等の加工精度を大幅に向上しうる。また、このように加工精度に優れることから、後工程にラッピング、ポリッシング工程を有する半導体基板製造においても、工程を短縮及び歩留を向上しうる。
【符号の説明】
【００５７】
２０、２０Ａ  メインローラー
２１  ローラー本体
２２  合成樹脂外装体
２３  ワイヤ溝
２４  ボス部
【図１】
2011255461.tif 000004
【図２】
2011255461.tif 000005