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砥粒加工学会誌論文

スクライブによる硬脆材料の亀裂伸展挙動
留井直子*，村上健二*，橋本多市*，福西利夫*
Crack propagation behavior of hard-brittle materials by wheel scribing
Naoko TOMEI, Kenji MURAKAMI, Taichi HASHIMOTO and Toshio FUKUNISHI
板ガラスの切断に用いられてきた「スクライブ+ブレイク」技術を電子部品用材料の切断に応用することで，高効率な切断が実現でき，すでに実用化されつつある．しかし，スクライブ現象については未だ解明されていないところが多い．本研究では，電子部品材料として使用されるアルミナ，単結晶 Si，単結晶 SiC におけるスクライブ時の亀裂伸展挙動について調査し，ガラスとの比較を行った．その結果，アルミナと単結晶 Si では，ガラスと同様に，負荷時に伸展する亀裂（1st Crack）と除荷後に伸展する亀裂（2nd Crack）の痕跡が確認されたが，単結晶 SiC では 1st Crackの痕跡のみであった．
Key words : scribing and breaking, wheel scribing, crack propagation, hard-brittle materials

１．緒 言が薄く，チップサイズが極めて小さい電子部品用材料の切断

スクライビングホイールと呼ばれる回転工具を用いた「スクに対しても有効であると考えられる．そこで，ガラスよりも硬い

ライブ+ブレイク」技術は，液晶用パネルをはじめとした板ガラ電子部品用基板を切断するために，セラミックス専用のスクラ

スの切断に広く使用されており，すでに生産ラインにおいてイビングホイール「Tougheel®（タフィール）」を開発し，アルミナ技術が確立している

1)～4)．図 1 に「スクライブ＋ブレイク」技術をはじめとした基板材料の切断について報告してきた 6)．の概略図を示す．スクライブ工程（図 1 (a)）では，スクライビン

しかしながら，基板に適したスクライブ条件を選ぶことは非グホイールにより，ガラス表面にスクライブラインと呼ばれる塑常に重要であるにもかかわらず，スクライブ時の亀裂伸展挙性変形を形成する．その際，塑性変形域の下には引張応力動についての研究はわずかである．本報では，電子部品としが発生し，この応力によって板厚方向に垂直なクラックが生じて使用されている材料のなかから，ガラスと違い，粒界が存在

5)

る ．次のブレイク工程（図 1 （(b)）では，曲げ応力を加えるこする材料の代表としてアルミナ，また異方性を有する材料のとにより，スクライブ工程で形成された垂直クラックを伸展させ代表として単結晶 Si を選択し，ガラススクライブ時の亀裂伸展てガラスを分離する．

挙動と比較を行った．また，異方性だけでなく，オフ角を有する単結晶 SiC についても，切断面の観察によりスクライブ時のスクライビングホイール挙動を考察したので，その結果について報告する．

スクライブライン

２．実験方法Median垂直クラックcrack
曲げ応力

Glasssheet

曲げ応力

２．１ ガラスにおける亀裂伸展挙動
ガラススクライブ時の亀裂伸展挙動を明らかにするため，高(b) ブレイク工程(b) ブレイク

速度カメラを用いてスクライブの様子を観察した．スクライブ実

図 1 「スクライブ＋ブレイク」技術の概略図

ホイールは，外径 2.0 mm，厚さ 0.65 mm，穴径 0.8 mm，先端(a) スクライブ工程(a) スクライブ

験に使用したスクライビングホイールの概略図を図 2 に示す．

140°
130°

この切断技術の利点は，ダイシング加工で発生するカーフロスが発生しないこと，乾式で高速切断が可能であることであ

このような利点を有する「スクライブ+ブレイク」技術は，基板* 三星ダイヤモンド工業株式会社：〒566-0034 大阪府摂津市香露園 32-12
MITSUBOSHI DIAMOND INDUSTRIAL CO.， LTD.
〈学会受付日：2018 年 3 月 26 日〉〈採録決定日：2018 年 6 月 28 日〉

22

2 mm

利点の 1 つである．

0.8 mmる．また，レーザ加工のような熱影響が基板に残らないことも，

t0.65 mm

図 2 スクライビングホイールの概略図

Journal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.62 No.9 2018 SEP. 473-478

砥粒加工学会誌

角度 130 °，超硬合金製を使用した．以下の実験では，先端３．スクライブ時の亀裂伸展挙動

角度以外は同じ形状である．

３．１ ガラスにおける亀裂伸展474

このホイールを用いて，速度 10 mm/s，荷重 24.6 N でスクラ

高速度カメラを用いて，ガラスをスクライブした際の亀裂伸展イブ実験を行った．板厚 0.7 mm の無アルカリガラス（Eagleを撮影した．各時間での画像を図 4 に示す．図中，亀裂先端

XG，Corning）を使用し，高速度カメラにより定点観察を行っを破線で示した．黒い円状に見える部分がホイールである．

た．観察方法を図 3 に示す．高速度カメラの設定は，500fps

図中，左から右方向へスクライブした．

（frames per second）とした．

まず，スクライビングホイール負荷時に亀裂が伸展した（図4(a)）．この時の亀裂を「1st Crack」とする．1st Crack は板厚方向の伸展が一旦停止し，0.08 s 後も停止したままであった（図光源
ホイール4(b)）．その後，再び亀裂伸展が開始し（図 4(c)），1.0 s 後にテーブル
ガラス

は板厚の 50%以上の深い亀裂伸展が確認された（図 4(d)）．
この時，スクライビングホイール通過後に伸展した亀裂をX

スクライブ方向Y

Z「2nd Crack」とする．このときのガラスの切断面を図 5(a)に示す．
1st Crack と 2nd Crack の位置を矢印で示す．

�����ラ

ホイール

ホイール
ガラス
テーブル

Z0s

スクライブ方向

光源X

図 3 ガラスの亀裂伸展観察方法の概略図
２．２ アルミナにおける亀裂伸展挙動

ガラス板厚�����ラ亀裂先端

1st Crack

アルミナ基板での亀裂伸展挙動を観察するため，板厚(a) 0 s

0.635 mm の 96%アルミナ基板（A476T，京セラ）でスクライブ実験を行った．スクライビングホイールは，先端角度 140 °の0.08 s

セラミックス専用ホイールを使用し，速度 100 mm/s，荷重 22.5N でスクライブした後，ハンドブレイク（手で分離）を行った．その 後 ， 光 学 顕 微 鏡 （ KH7700 ， Hirox ） と レ ー ザ 顕 微 鏡（VK9700，KEYENCE）を用いて，切断面を観察した．以降の切断面の観察は同様である．

1st Crack

500 μm２．３ 単結晶 Si における亀裂伸展挙動
単結晶材料での亀裂伸展挙動を観察するため，板厚 0.42(b) 0.08 s

mm の単結晶 Si について，（100），（110），（111）面でスクラ0.2 s

イブ実験を行った．スクライビングホイールは，先端角度 145 °の超硬合金製を使用した．速度 100 mm/s，（100）と（111）面は荷重 2.7 N，（110）面は荷重 2.2 N とし，（110）面と平行にスクライブした後，メカブレイクを行った．
２．４ 単結晶 SiC における亀裂伸展挙動
さらに，単結晶材料での亀裂伸展挙動を観察するため，板2nd Crack厚 0.36 mm，オフ角 4°の単結晶 4H-SiC （新日鉄住金マテリ(c) 0.2 sアルズ）について，（0001）面の Si 面でスクライブ実験を行った．スクライビングホイールは，先端角度 150 °のセラミックス

1.0 s

専用ホイールを使用した．速度 100 mm/s，（1100）面に平行にスクライブする際は荷重 7.2 N，垂直にスクライブする際は荷重 5.5 N とし，スクライブ後，メカブレイクを行った．
スクライビングホイールの先端角度とスクライブ荷重については，板厚方向に垂直なクラックが可能な限り深く伸展し，かつ水平方向のクラックが伸展しない条件を選択した．また，アルミナ，単結晶 SiC は硬く超硬合金製ホイールではすぐに摩2nd Crack(d) 1.0 s

耗してしまうため，工具摩耗が抑制できるセラミックス専用ホイールを使用した．

図 4 ガラススクライブ時の亀裂伸展挙動（24.6 N）

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砥粒加工学会誌

により伸展する．この違いが伸展速度に関係していると考えらスクライブ方向スクライブ方向

れるが，メカニズムの解明には至っておらず今後の課題とした
い．
３．２ アルミナにおける亀裂伸展
次にアルミナにおける亀裂伸展挙動を考察するために，ガ板厚 : 0.635mm

板厚 : 0.7mm

1st Crack
2nd Crack

ラスとアルミナの切断面の比較を行った．各切断面を図 5 に示す．ガラスと同様に，アルミナにおいても 1st Crack と 2ndCrack と考えられる 2 本の亀裂の停止線（図中，赤矢印）が確認された．そこで，1st Crack と 2nd Crack 部分の切断面比較を

100 m100 mスクライブ荷重: 24.6 N

スクライブ荷重: 32 N(b) アルミナ(a) ガラス
図 5 ガラスとアルミナの切断面検討した．
通常，表面や切断面の状態を比較する場合，線粗さや面粗さを用いることが多い．しかしアルミナの切断面では，うねりや気孔の影響から，線粗さや面粗さでは違いを明確にすることが困難であった．しかしながら，図 5(b)の光学顕微鏡の結高速度カメラの動画から求めた亀裂深さと時間の関係（図果から，光学的に違いがあることは確かであったため，光量ヒ6(a)），板厚方向の亀裂伸展速度と時間の関係（図 6(b)）をそストグラムによる比較を行った．まず，予備実験として，研磨加れぞれ示す．図 6(a)の結果から，亀裂の深さは時間とともに飽和していることがわかる．また，図 6(b)の結果から，1st Crack
2-1ndの伸展速度は 10 mm s であるのに対し，2 Crack の伸展速工前後の焼結 cBN（粒径：10 um）を用いて光量ヒストグラムを比較した結果を図 7 に示す．図 7(a)に研磨前の cBN の光量測定領域，(b)に＃2000 で研磨したものを示す．光量ヒストグ

度は 1~10-2 mm s-1 であった．しかしながら，1st Crack は，ラムの結果（図 7(c)）から，研磨前はブロードであったヒストグ

1frame で伸展しているため，伸展速度はそれ以上であると考ラムが，研磨後はシャープになっていることが確認された．こえられる．つまり，ホイール負荷時に伸展する 1st Crack の亀
裂伸展速度に比べて，ホイール通過後に伸展する 2ndCrackの亀裂伸展速度は 2 桁以上遅いことがわかった．
st1 Crack はホイール負荷時の引張応力が駆動力となって伸展する 5)のに対し，2nd Crack はホイール通過後の残留応力

れは，研磨により，粒子の面がそろったために同じ光量のpixel 数が増え，光量ヒストグラムがシャープになったものと考えられる．
同じ方法で，アルミナ切断面における 1st Crack 部と 2ndCrack 部の測定を行った．結果を図 8 に示す．図 8(a)にアルミナの切断面，(a)の画像中，破線の四角で囲んだ 1st Crack と2nd Crack 部分の拡大画像を(b)に示す．1st Crack と 2nd Crackでの切断面の違いを明らかにするため，それぞれの領域における光量ヒストグラムを比較した．

(a) 亀裂深さと時間(a) 研磨前の測定領域(b) 研磨後の測定領域

25000

研磨前
研磨後

ピクセル数

20000
15000
10000

0012243648
60
728496108120
132144156168180192
204216
228
240
252

5000

光量24(b) 亀裂伸展速度と時間(c) 光量ヒストグラム

図 6 亀裂伸展と時間との関係

図 7 焼結 cBN 研磨前後の光量ヒストグラム

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砥粒加工学会誌476100 m↑ 1st Crack↓ 2nd CrackThickness(c) 1st Crack の測定領域(d) 2nd Crack の測定領域(a) アルミナの切断↑ 1st Crack↓ 2nd Crack(e) 光量ヒストグラム(b) 切断面の拡大図

図 8 アルミナの切断面と光量ヒストグラム（ホイール角度：140°，スクライブ荷重：22.5 N）
1st Crack の光量測定領域を(c)，2nd Crack の領域を(d)に，トグラムを比較した．結果を図 9 に示す．140°と同様に，2ndそれぞれ灰色の四角で示す．光量ヒストグラムの結果(e)から，Crack の領域に比べて，1st Crack の領域は光量ヒストグラムが1st

Crack ではシャープなピークが見られるのに対し，2ndst

Crack では，ブロードであった．つまり，1 Crack の面では粒子の面がそろっているため，光の反射と散乱が起きているのに対し，2nd

Crack の面では粒子の面がそろっていないため，シャープであった．このことから，亀裂伸展に関しては工具の角度が違っても同じ現象が起きていると考えられる．
これらの結果から，アルミナスクライブ時の亀裂伸展挙動について考察したモデルを図 10 に示す．均質で粒界のないガラス（図 10(a)）とは異なり，アルミナは粒子で構成されているた散乱が多いと考えられる．
さらに，工具の形状による違いを確認するため，120°の工め亀裂伸展の経路が異なると考えられる．アルミナでは，スク具を用いてスクライブを行い，1st Crack と 2nd Crack の光量ヒスライビングホイールが基板に押込まれ，塑性変形域が形成させる．その下から 1st Crack が伸展するが，亀裂伸展速度が速いため，亀裂は粒内を進む．そのため，切断後の 1st Crack 部↑1st Cracknd↓2 Crack分は粒子の面がそろった状態であったと考えられる．
一方，2nd Crack では亀裂伸展速度が遅いため，破壊に必要なエネルギーが低いと考えられる粒界を亀裂が伸展する．

その結果，切断後の 2nd Crack 部分は粒子の面がそろってい(a) 1st Crack の測定領域(b) 2nd Crack の測定領域ない状態になったものと考えられる．

塑性変形域
1st Crack

2nd Crack(c) 光量ヒストグラム
図 9 アルミナの光量ヒストグラム（ホイール角度：120°，スクライブ荷重：14.3 N）(a) ガラス(b) アルミナ

図 10 ガラスとアルミナの亀裂伸展挙動のモデル図

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砥粒加工学会誌

(110)

(110)

145°

(110)

135°

35°

100 m45°

100 m100 m(a) 100 面(c) 111 面(b) 110 面
図 11 単結晶 Si の各結晶面における切断面

一方，（110）面（図 11(b)）では斜めの位置に存在する面が，３．３ 単結晶 Si の亀裂伸展
異方性を有する単結晶材料をスクライブした際の亀裂伸展

表面自由エネルギーがより高い（100）面である．また，（111）挙動を確認するため，単結晶 Si の（100），（110），（111）面，面（図 11(c)）では斜めの位置に低エネルギーの面が存在しなそれぞれの面を（110）面に平行にスクライブし切断した．切断いため垂直に亀裂伸展しやすいと考えられる．

面の画像を図 11 に示す．単結晶ウエハに対する結晶面の状

そこで，垂直に亀裂伸展しにくいと予想される（100）面の切態を，各面の上部に記載している．上部左がウエハ表面から断面について，さらに詳細な調査を行った．切断面のプロフ見た図，上部右がウエハを右側面から見た板厚方向の図でァイルを図 12 に示す．切断面にはガラスやアルミナで見られある．図中，それぞれの結晶面が存在する方向を矢印で示した 1st Crack と考えられる層が確認された．プロファイルの結果ている．

から，その層は表面に対しほぼ垂直であった．さらにその下切断面の写真から，どの面においても，基板表面に対し垂直な面で切断されていることが確認された．（100）面（図 11(a)）には，約 34°の面が存在しており，この面は（111）面であると考えられる．と（111）面（図 11(c)）では，ガラスやアルミナと比較的類似したつまり，ガラスやセラミックスと同様に，亀裂伸展速度の速い切断面になっており，1st Crack と予想される痕跡がみられた．

1st Crack は，エネルギー的に優位ではない（110）面で伸展す一方，（110）面（図 11(b)）は，切断面全体に板厚の垂直方向ることが可能であるが，2nd Crack は伸展速度が遅いためエネ

stに筋がみられ，1 Crack のような停止線らしきものは確認できルギー的に優位な（111）面で伸展すると考察される．このことなかった．

から，単結晶基板のスクライブでは，必ずしも亀裂を伸展させここで Si 単結晶の各面における表面自由エネルギーは，ることが望ましいわけではなく，1st Crack のみを形成した方が，｛111｝ : 0.123 mJ/cm2，｛110｝ : 0.151 mJ/cm2，｛100｝ : 0.213

より平滑で垂直な切断面が得られやすいと考えられる．そのmJ/cm2 である 7) ．（110）面より表面自由エネルギーの低いためには，スクライブ荷重の細かな制御が重要であると予想さ（111）面が切断面に対し斜めに存在する（100）面（図 11(a)）

れる．

は，亀裂が垂直に伸展しにくいと予想される．

３．４ 単結晶 SiC の亀裂伸展
立方晶である単結晶 Si との違いを確認するため，単結晶(a) Line 1(b) Line 2

4H-SiC の（0001）面を（1100）面に平行，垂直それぞれスクライブし切断した．単結晶 4H-SiC はオフ角を有するため，結晶面とスクライブの位置関係を図 13 に示す．（0001）面が第 2 オ

計測ライン

計測ライン

1.1°

34.1°

(a) Line 1

図 12 単結晶 Si（100）面における切断面（110）面の形状プロファイル

26

オフ角：4°
第1オリフラ

第1オリフラLine A(0001)
Si面｛1100｝｛1120｝

Line B(b) Line 2（1120）面に平行にスクライブしたラインを「Line B」とした．

第2オリフラ

34.3°

ライブしたラインを「Line A」，（1100）面に垂直，すなわち第2オリフラ0.9°リフラと逆の方向に 4°傾いた状態で，（1100）面に平行にスク

図 13 単結晶 4H-Si の結晶面とスクライブラインの位置関係

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砥粒加工学会誌

Line A と Line B の切断面を図 14 に示す．ここで，図 14(a)478(a)第2オリフラ側 (b)第2オリフラ反対側の Line A（（1100）面）の両端は，Line B（（1120）面）に相当し，
図 14(b)の Line B の両端は Line A に相当する．第 1 オリフラに平行な Line A（（1100）面）で切断した面は，基板表面に対し垂直に切断されていることが確認された．一方，第 2 オリフ
ラに平行な Line B（（1120）面）で切断した面は，オフ角の影

計測ライン

響を受けて，第 2 オリフラと逆方向に 4°傾いていた．

計測ライン

10 m

オフ角の影響を受けた Line B について，さらに詳細に調べた．切断面の基板表面付近について形状プロファイルを図15 に示す．基板表面から約 10 m の位置に亀裂の停止線と(a)第2オリフラ側思われる線が確認された．3. 3 項までのガラス，アルミナ，単結晶 Si（100）面とは異なり，停止線が 1 つであることから，単10 m

結晶 4H-SiC（0001）面では，1st Crack だけが伸展し，2ndCrack は伸展していないと考えられる．また，1st Crack と考えられる領域が 2.0~3.8°傾いていることから，（1120）面に沿って(b)第2オリフラ反対側伸展していると考えられ，この点においても Si の結果とは異なる．1st Crack が傾く原因として，以下の 2 つが考えられる．1 つ図 15 単結晶 4H-SiC（0001）面におけるは，表面が（0001）面ではなく 4°ずれているために，刃先押込み時の押込み量や塑性変形が左右非対称になっている可能性である．もう 1 つは，Si と比べ亀裂伸展に優位な面の角（1120）面の形状プロファイル
負荷時に伸展する 1st Crack の亀裂伸展速度に比べて，ホイ度が小さいことである．しかしながら，オフ角を有する基板のール除荷後に伸展する 2nd Crack の亀裂伸展速度は 2 桁以

亀裂伸展に関してはオフ角の大きさの影響をはじめ不明点が上遅いことがわかった．
焼結体であるアルミナでは，上記の伸展速度の違いにより，多く，これらの解明を今後の課題としたい．

st

1 Crack では粒内を亀裂伸展し，2nd Crack は粒界を亀裂伸Scribing load : 7.2 N

4°の伸展速度の違いから，2nd Crack はエネルギーの低い結晶面で伸展すると考えられる．一方，オフ角を有する単結晶 SiC

板厚4°展していると考えられる．単結晶 Si も同様の傾向が見られ，そでは，オフ角に平行な（1100）面では垂直に亀裂伸展するが，Line Bの切断面

Line Bの切断面

200 m(a) Line A （1100）面

受け約 4°傾いて伸展することが確認された．
５．参考文献板厚

Scribing load: 5.5 N

Line Aの切断面

オフ角に直交する（1120）面では，1st Crack がオフ角の影響をLine Aの切断面

200 m(b) Line B （1120）面
図 14 単結晶 4H-Si の切断面

４．結 言
本研究では種々の材料についてスクライブした際の亀裂伸展挙動を観察し考察した．ガラススクライブの結果，ホイール

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2) N. TOMEI : Cutting Technology of Glass Sheet by Scribing and Breaking,
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