(57)【要約】【課題】シリコンインゴット等の硬脆物のスライス切断に使用されるワイヤーソーのソーワイヤーを新たな開発により、切断効率の向上、環境への負荷の低減、経済性の改善等をはかる。【解決手段】ソーワイヤーのコアー材をバルブ金属からなるクラッド材で被覆し、必要があれば、クラッド層部に凹凸を形成した後、マイクロアーク酸化処理をほどこし、セラミックス層を形成することにより、砥粒粉を使用しないか、砥粒粉の使用量が極めて少なくて済むシリコンインゴッド等の硬脆物を切断できるソーワイヤーを提供するものである。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤーソーに使用されるソーワイヤーであって、
コア金属製のコア材と前記コア材を被覆したバルブ金属性のクラッド材で被覆したクラッドワイヤーと、
前記クラッドワイヤーをマイクロアーク酸化処理によってセラミック層で被覆したことを特徴とするソーワイヤー。
【請求項２】
前記セラミック層で被覆したソーワイヤーに、更にフッソ樹脂などの潤滑性高分子を被覆したことを特徴とする請求項1記載のソーワイヤー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体シリコンインゴット及びセラミックインゴット等(以下ワークと称す)の硬脆物を切断するワイヤーソーに使用されるソーワイヤーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常ワークの切断には砥粒を含有する切削液を介して行う。ワークの所定断面に沿って細径の鋼線を走行させつつ接触部にダイヤモンド研磨粒等を混入した切削液（スラリ92）を送給してワークを切断する。
【０００３】
これは前例として特開平11-235653に提示されている。この方法は図3に示すように、メインローラ96とサブローラ961,962の間にワイヤ95が所定間隔に巻きつけられている切断装置を用いる。
【０００４】
切断部951はノズル９１からダイヤモンド研磨粒等を混入した切削液（スラリ92）を散布する。このスラリ92とワイヤ95の走行によってワーク90が切断される。
切断部951上にワークホルダ93に取り付けられたワーク90を降下させワーク90をワイヤ95によって一定厚に切断する。
スラリ溜まり９４にはスラリ92とワーク90の切削屑が大量に蓄積され、切断作業終了の後廃棄される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平11-235653
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらワイヤ95は切断作業に伴って磨耗して細くなる。当初はワイヤ95の直径が150μｍあっても80μｍ程度まで細くなり張力に耐えられなくなる。
ワイヤ95の直径が細くなって弱くなると切断面が反って精密なスライスができず、ワイヤ95の交換をしなくてはならない。
【０００７】
ワイヤ95は高張力の鋼線で磨耗しないことが望ましいがワーク90とワイヤ95の間にダイヤモンド粒等の入ったスラリ92が介在することによってワーク90が切削され切断されると共にワイヤ95も摩滅して細くなる。
また、ワーク９０からスライス物を切り取る場合、歩留まり向上のためにより薄く、より幅の小さい切断幅になるよう直径の小さいワイヤ95が望まれる。
しかし直径の小さいワイヤ95では張力が低減し、切削の為の押圧力が低下し切削速度が低下する。その対策のためにワイヤ95の一層の高強度化が要求されている。
【０００８】
ワイヤ95がより細くなると、切削幅が小さくなりワーク90を無駄に切削することがない。また、ダイヤモンド研磨粒等が混入したスラリ92を使用しないようにすれば、スラリ溜まり94には洗浄冷却液とワーク90の削り屑のみが溜められる。洗浄冷却液とワーク90の削り屑であれば分別してワーク90の削り屑のみを分別し再利用することができる。
つまりワーク90は切断時にワイヤ95の幅の分だけ削り取られるが、それが切削屑と洗浄冷却液の二種類だけでスラリ溜まり94に蓄積できれば容易に分別することができる。
スラリ溜まり94に蓄積されるのはダイヤモンド砥粒粉等とワーク90の切削屑粉との混合泥漿（スラリ）である。切削屑粉量に対して砥粒粉量が相対的に増大すると両者の分離はコスト面から困難となる。従って、現在は両者を分離再資源化することが困難の為、廃棄物として高額の廃棄物処理費を支払い処理している。
一般的に工業用のシリコンウエハは4000〜5000円であるが、太陽電池用ウエハは数百円であり原価低減を求められている。
ワークの切断処理原価を下げる方法として、切削屑粉の再利用或いは再資源化が考えられる。そのためには、砥粒粉の混入を極力減らすこと、切削屑粉の発生量を減少させることが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこでワイヤーソーに使用されるソーワイヤーであって、コア金属製のコア材と前記コア材を被覆したバブル金属製のクラッド材で被覆したクラッドワイヤーと、前記クラッドワイヤーをマイクロアーク酸化処理によってセラミック層で被覆したことを特徴とするソーワイヤーを提供するものである。
被覆した三層からなる断面を特徴とするソーワイヤー及び前記セラミックス層を被覆したソーワイヤに更にフッソ樹脂24等を被覆した四層からなる断面を持つことを特徴とするソーワイヤーを提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
従来の切断部951はノズル９１からダイヤモンド研磨粒等を混入した切削液（スラリ92）を散布する。しかし本発明ではコア材21に固定砥粒ソーワイヤーと同等の機能をもつクラッド材22とセラミックス層23を固着した状態でワーク90を切断する。その結果切断時間が短くなり作業効率が良くなる。
更に従来はスラリ溜まり94に、遊離砥粒を混入したスラリ92とワーク90の切削屑が混ざり合うので分離ができず再利用できないとともに、廃棄するのに費用が発生する。
本発明ではワイヤー95を被覆した固定砥粒が剥がれ落ちにくくスラリ溜り94には、主にワーク90の切削屑のみ集積し、スラリ92と分離がしやすく、高価なワーク90の切削屑を再利用することが可能である。
本発明ではセラミックス層23自身が研磨層となるので、固定砥粒ソーワイヤーと同等な構造であり、セラミック層とクラッド層との結合は強固であるから、セラミック層の剥離が起こりにくい為、切断効率を高めることができる。さらに、ワークの切削屑粉にセラミック層粉の混入を制御できることから、切削屑粉の再資源化が容易になる。
請求項2に記載のフッソ樹脂をさらに被覆した断面が四層構造のソーワイヤー30では、四層部のフッソ樹脂24がセラミック層の結晶粒子間の凹部を充填し、切削屑粉による目詰まりを防止し、切断効率の低下を抑制できる。
更に、フッソ樹脂によりソーワイヤーとワークの間の潤滑性が改善できる為、切断効率を向上できる。また、ソーワイヤーとワークの間の切断による摩擦熱の発生を低減する効果がある。
【００１１】
従来のソーワイヤー95はスラリ92に混入した遊離砥粒によりワークを切断することから、同時にソーワイヤー95自身も摩滅する。従って、限界まで細くなったソーワイヤー95は切断を起こし、トラブルの原因となる。本発明に係るソーワイヤー20及びソーワホイヤー30はコア材21の外周にクラッド材22が被覆され、更にマイクロアーク酸化処理により、セラミック層23が形成される。従ってクラッド材22がコア材21の緩衝層或いは保護層となり、コア材21の摩滅や傷つけられることを防止することができる。
その結果、ソーワイヤー20およびソーワイヤー30はねじれに強く、摩滅がなく、切断しにくく長寿命化できるので作業効率を大幅に向上させることができる。なお、クラッドワイヤー（複合線材）とは二種類以上の金属を層状に張り合わせた断面構造を有するワイヤーをさすものである。
【００１２】
特に、多結晶の半導体シリコンインゴッドには異物の混入が多く、異物の切断による切断衝撃によりソーワイヤ95の切断事故が多発することがあり、切断コストの上昇を招く。本発明のソーワイヤーはこれらの問題を解決するものである。
なお、本発明によるソーワイヤー20及びソーワイヤー30では、クラッド材22がコア材21の緩衝層或いは保護層として作用し、ソーワイヤーの強度を長時間維持することが可能な為、コア径を細くすることができるようになる。
その結果、現在のソーワイヤー径より細い径のソーワイヤーを実現することが可能になり、切削屑粉の発生量を低減することができることによりコストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】マイクロアーク酸化の処理装置と電圧経時変化を模式的に図示したものである。
【図２】クラッドワイヤー連続MAO処理装置の模式図とソーワイヤーの構造を図示したものである。
【図３】ワークの切断装置を図示したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明はコア金属材にバブル金属であるクラッドを組み合わせたクラッドワイヤーを陽極とし、電解溶液中でマイクロアーク処理することにより、クラッド金属層上部に緻密で強固にクラッド層に保持されたセラミックス層を被覆する。
これにより得られる三層からなるクラッドワイヤー及び、更にセラミックス層上部にフッソ樹脂を融着などの方法で被覆した四層からなるクラッドワイヤーとその製造方法に関するものである。
【実施例】
【００１５】
マイクロアーク酸化(以下MAOと称す)は陽極酸化(以下AOと称す)領域を超えた不連続な電気化学的酸化である。バルブ金属と呼ばれる金属群において実現する。MAO反応は前段階であるAO反応によりバルブ金属表面に形成された金属酸化物皮膜を利用し、高電圧負荷を可能とする。
金属酸化物の絶縁破棄をおこさせることにより、反応を実現する反応である。従って、AO反応は連続反応であり、MAO反応は不連続反応である。MAO反応では絶縁破棄による火花放電が観察でき、局部的高温反応場が実現する。
【００１６】
その結果、バブル金属表面全体に結晶性のセラミック層が形成される。セラミック層の結晶種、形状、厚みなどは、電解溶液種や反応時間などの反応条件の選択により制御できる。
【００１７】
MAOの原理的装置図を図1の(1)に示す。陰極8には炭素、白金などの耐化学性のある導電材料を用い、陽極12はバブル金属である、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、マグネシウムなどが用いられる。バルブ金属の形状は任意でよい。陰極8と陽極12には定電流直流が印荷される。印荷電圧はバブル金属種により選ばれる。火花放電の起こらないAO領域を通って火花放電が開始し、MAO領域に達するのは一般的に印荷後数分以内である。電解溶液11はバブル金属種に合わせて、単純もしくは混合無機塩水溶液が選ばれる。
【００１８】
図1の(1)の装置において、通電すると数十秒から数分で陽極の試料表面全面で火花放電が開始する。このときをMAO開始時間(絶縁破壊DB開始時間)と、このときの電圧をMAO開始電圧と定義している。これらの過程を電圧と時間の関係として模式的に表したのが図1の(2)である。
【００１９】
絶縁破壊DB電圧に達するまでの過程、及び、絶縁破壊DB電圧以下での印荷による反応領域はAO反応領域である。MAO反応領域に達すると、電圧がほぼ一定になり火花放電による振動を続ける。この電圧値はバブル金属種により決まる。例えば、アルミニウムの場合の中心電圧値は450ボルトである。
【００２０】
図2の(1)は図1に示したMAOの原理をもとに製作したクラッドワイヤー10の連続MAO処理装置の一例である。図2の(2)は該ソーワイヤー20及び30を生産するためのクラッドワイヤー10の断面及びソーワイヤー20の連続生産装置である。図2の(2)はクラッドワイヤー10の断面図である。コアー材21として鉄、銅、ニッケル、ステンレスなどが用いられる。クラッド材22としてバルブ金属であるアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、マグネシウムなどが用いられる。クラッドワイヤー10の表面は図2の(2)の(a)に示すような平滑でも(b)に示すような凹凸を有していても良い。
【００２１】
図2の(1)はクラッドワイヤー10を連続的にMAO処理する装置である。クラッドワイヤー10を巻きつけた送りローラ101を陽極12とし、陰極8との間に直流電圧を印荷する。クラッドワイヤー10は電解溶液中に設置された複数のローラ103を介して巻き取りローラ102に巻き取られる。
クラッドワイヤー10は電解溶液中で火花放電を続けながらMAO処理され、セラミックス層を表面に被覆するソーワイヤー20として巻き取りローラ102に巻き取られる。MAO処理時間はソーワイヤー20の巻き取り速度により制御する。
【００２２】
図2の(3)は図2の(1)の巻き取りローラ102に巻き取られたMAO処理され、セラミックス層を表面に被覆されたソーワイヤー20を示す。ソーワイヤー20はコア材21の上にクラッド材22が被覆されており、更にその上にMAO処理により生成させたセラミックス層23が被覆されている三層構造の構成をしている。
図2の（4）は図2の（3）に示す三層構造ソーワイヤー20にフッソ樹脂等を融着等により被覆した四層構造ソーワイヤー30を示す。コア材21、クラッド材22およびセラミックス層の構成は図2の（3）と同じである。
セラミックス層の表面凹凸を利用して、フッソ樹脂などを連続融着技術などによりセラミックス層上部に被覆したのが四層構造ソーワイヤー30である。フッソ樹脂24はセラミックス層の凹部で固定される。セラミックス層の凹部が埋められるため、ワーク90の切断時に切削屑粉による目詰まりが防止できる。従って、目詰まりによる切断効率の低下を防ぐことができる。さらに、フッソ樹脂の潤滑性によりワーク90とソーワイヤー20の間の摩擦が減少する為、ソーワイヤー20の線速度を高めることが可能となりコスト低減ができる。更に、ワーク20との切断による摩擦熱が少なくなるため、切断部分の冷却効率が良くなる。
【００２３】
以上のようなソーワイヤーを連続的に製造する装置の模式図が図2の（1）である。スタート材料である送りローラ101に巻かれているクラッドワイヤー10の構造は図2の（2）に示す。（1）の（a）のようにコア材21にクラッド材22が平行（同心）に被覆されているのが一般的であるが、（1）の（b）のようにコア材21にクラッド材22表面が凹凸をもって被覆させているものでも良い。
凹凸は伸線時に付与してもよければ、伸線後付与してしても良い。また、あらかじめ伸縮したクラッドワイヤー10表面にパターンをマスキングしてMAO処理部分と未処理部分を作り出しても良い。さらに、ケミカルエッチングにより作り出しても良い。ただし、コア材21にクラッド材（22）が未被覆である部分を作ってはならない。理由は未被覆部が存在すると連続MAO処理が不可能となるからである。また、クラッド材22の凹凸形状或いは模様は制限されない。クラッドワイヤー10は陽極12として電解溶液11の中を巻き取りローラ102方向に移動する。そして陰極8との間に高電圧を印荷されると、送りローラ101に近い側でAO反応を開始し、やがて火花放電と共にMAO反応領域に入る。その結果、バルブ金属であるクラッド表面にセラミック層が生成される。セラミック層の厚さや表面形態等はクラッドワイヤー10の巻き取り速度によって制御される。巻き取りローラに巻き取られたクラッドワイヤー10がセラミック層23を被覆した三層構造のソーワイヤー20となる。
【００２４】
クラッドワイヤー10の一般的作り方の一例は、直径5mm程度の鉄などのコア材21にアルミニウム等のクラッド材22が被覆された母材を作る。この母材を何段ものダイヤモンドダイス等を通過させることにより徐々に伸線し細くしていく。ソーワイヤー20としては100〜150μm程度まで伸線したものを一般的には用いる。クラッドワイヤー10のコア材21とクラッド材22の直径比は母材の直径比と同じであるから、母材を作る段階で設計する。クラッドワイヤー10の表面凹凸は、伸線の最終段階にあたるダイヤモンドダイス等の口金部分のデザインを工夫することにより実現する。また、金属製ブラシローラやカッターローラを通したり、サンドブラスト処理やスタンププレイス処理を行うことで実現する。
【００２５】
MAO処理により得られる物質、その形状、膜厚等は電解水溶液種の選択、処理時間、処理温度等の選択により制御することができる。例えば、アルミニウムの場合、珪酸ナトリウム（水ガラス）を電解水溶液として用いると結晶性のγ―酸化アルミニウムが得られる。
また、アルミン酸ナトリウム電解水溶液を用いると結晶性のα―酸化アルミニウムが得られる。酸化アルミニウムのモース硬度は9である。さらに、クラッド金属がチタニウムの場合、リン酸ナトリウム電解水溶液を用いるとき、MAO処理時間が短いと結晶性のアナターゼ型二酸化チタンが得られ、長いと結晶性のルチル型二酸化チタンが得られる。
酸化チタンのモース硬度は6〜6.5である。本発明はこのような高いエネルギー場でおこる電気化学的酸化反応であるMAO反応を応用したものである。
【００２６】
クラッドワイヤーのコア材を鉄、クラッド材をアルミニウムとした場合、MAO処理によりα―酸化アルミニウムをセラミックス層とする三層構造のクラッドワイヤーが得られる。更に、三層構造のクラッドワイヤーにフッソ樹脂を被覆すると四層構造のクラッドワイヤーが得られる。
これらのクラッドワイヤーをソーワイヤーとして考えると、セラミックス層は十分な硬度を持ち、クラッド層と強固に結合している為、固定砥粒ソーワイヤーと同等の機能を持ち、切断速度を高めることができると共に耐ねじれ性を発揮する。
従ってワークの切削屑への異物混入を妨げる為、切削屑粉の再資源化が容易となる。また、ワークが多結晶半導体インゴットの場合、異物が混入していることが多々ある。異物にソーワイヤーが接触したとき、衝撃でソーワイヤーが切断したり、ワークの切断面に異常をきたす。これらの事故を防止できる。
四層構造ソーワイヤーでは、セラミック層にある凹部をフッソ樹脂が充填するため、ワークの切削屑粉による目詰まりを防止し、切削屑粉のワークの切断部分からの排出を促進し、ソーワイヤーの切断能力の低下を防止する。
さらに、フッソ樹脂の潤滑性により、ソーワイヤーのワーク内部での走りを良くすると共に、ワークとの間で発生する摩擦熱を低下させることができるため、冷却負荷を減少させることが可能となる。
このソーワイヤーは現在多用されている切断装置を大きく改良しなくとも利用できる。このことは経済面からのメリットが大きい。さらに、コア部分が砥粒等により傷つけられにくくなり、ソーワイヤーの強度低下を避けることができるため、ソーワイヤーの長寿命化と線径の細線化による切削屑粉の発生量の低減が可能となる。
なお本出願の参考文献として清水紀夫、表面技術、vol.58、No.6、347-351、（2007）がある。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、セラミックス表面層をもつ複合線材を提供することから、プラスチック、ゴム、ガラス、金属などの強化用の複合材線素材として利用できる。さらに、チタンの場合は光触媒機能を有する線材としての活用が期待される。
【符号の説明】
【００２８】
8                                    
陰極
10        クラッドワイヤー
101                             
送りローラ
102                             
巻き取りローラ
103                             
ローラ
11        電解溶液
12                             
陽極
13                             
クラッドワイヤーMAO処理装置
20                             
ソーワイヤー
21                             
コア材
22                             
クラッド材
23                             
セラミック層
24                             
フッソ樹脂
90                             
ワーク
91                             
ノズル
92                             
スラリー
93                             
ワークホルダ
94                             
スラリ溜まり
95                             
ソーワイヤー
951        切断部
96                             
メインローラ
961                             
サブローラ
962                             
サブローラ
DB        絶縁破壊
MAO      マイクロアーク酸化
AO        陽極酸化
T         
時間
EV          電圧
FF         断面線
【図１】
2012086288.tif 000003
【図２】
2012086288.tif 000004
【図３】
2012086288.tif 000005