JP3724943B2

JP3724943B2 - Main roller for multi-wire saw and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3724943B2
Application number: JP5066298A
Authority: JP
Inventors: 英二木村; 順英坂下; 公平外山
Original assignee: Shinhokoku Steel Corp; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shinhokoku Steel Corp; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2018-03-03
Also published as: JPH11245156A

Description

【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Ｈ_RＣ１０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】

【００１５】
【表２】

【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】

【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Ｈ_RＣ１０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】

【００２２】
【表５】

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a main roller constituting a multi-wire saw used for cutting a silicon ingot or the like and a method for manufacturing the main roller.
[0002]
[Prior art]
A silicon ingot for a semiconductor substrate has come to use a multi-wire saw from an inner peripheral slicing machine which has been mainstream so far as the diameter of a single crystal wafer is increased. As shown in FIG. 4, this multi-wire saw supplies slurry as a cutting agent while winding a single wire 10 around a main roller (grooved roller) 11 a plurality of times at a predetermined pitch and reciprocating the ingot 12. This is an apparatus that performs pressing while controlling the feed unit 16 to cut a large number of wafers at a time. (For example, see “Next-generation processing technology for increasing the diameter of semiconductor substrates” 1996, 2, 15, Japan Society of Mechanical Engineers, P11)
Conventionally, as shown in FIG. 3, the main roller 11 is configured by joining a carbon steel shaft 8 for mechanical structure such as S45C and a bearing portion 4 for mechanical structure by welding work 9. Thereafter, the inner surface of the bearing portion 4 was reinforced by induction hardening to improve wear resistance, and used by being fitted to the rotating shaft.
[0003]
In ordinary welding for joining the main roller and the bearing portion, the base material is once heated to a melt and then solidified. In this process, invar materials with high hot cracking susceptibility reduce sulfur, phosphorus, etc. to a considerable level, and prevent strict measures to prevent intergranular embrittlement of oxides and sulfides, and melting due to reheating of sulfides. Is required. (See, for example, Steelmaking Research, No. 318, 1985, P42). From this, hot cracking is likely to occur and there is a difficulty in the stability of welding. For this reason, it has been common to use carbon steel for mechanical structures until now. On the other hand, due to the cutting accuracy, in the current carbon steel for machine structure, when the silicon ingot is cut, the reciprocating travel of the wire generates heat during cutting, and there is heat transfer from the rotating shaft, etc. For this reason, the carbon steel for mechanical structure having a thermal expansion coefficient of about 12 × 10 ⁻⁶ / ° C. expands in the axial direction and changes the position of the wire groove, so that there is a problem in the thickness accuracy of silicon to be cut. Therefore, a method for realizing high-accuracy cutting of a wafer using a material having a low coefficient of thermal expansion on the premise of the current welding joint has been desired.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, it is advantageous to use an invar material having a small coefficient of thermal expansion for the shaft of the main roller. However, in the case where the entire main roller is configured by using the invar material as an integral structure, there is a problem that the hardness is lowered due to the use of the invar material that is a complete austenite type at the fitting portion with the rotating shaft.
[0005]
In addition, joining the shaft of Invar material to the conventionally used carbon steel for machine structural use by welding, as described above, easily causes hot cracking in the Invar material, and the stability of the joint becomes a problem. .
Therefore, in view of such a situation, the present invention integrates a main roller using an invar material having a small coefficient of thermal expansion by joining a shaft and a bearing portion, thereby enabling accurate cutting of the multi-wire saw main roller and The manufacturing method is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
(1) In a multi-wire saw that is cut with high accuracy by a plurality of wires suspended on a roller, the shaft of the main roller is made of a low thermal expansion material having a smaller thermal expansion coefficient than carbon steel for mechanical structure, and the shaft of the low thermal expansion material is: A main roller for a multi-wire saw, which is integrally formed by being joined to the main roller bearing portion made of carbon steel for machine structure by a friction welding method.
[0007]
(2) A main roller for a multi-wire saw, wherein the low thermal expansion material of (1) is made of either one of super invar or invar.
(3) In manufacturing the main roller for a multi-wire saw according to (1) or (2), the shaft and the main roller bearing portion are integrally joined by friction welding, and then maintained at 800 ° C. to 1000 ° C., and then the cooling rate The coefficient of thermal expansion of the low thermal expansion material is set to 1 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less, and at the same time, the hardness of the carbon steel for mechanical structure that is the mating material of the bearing is adjusted to H _R C10 or less. There is a manufacturing method of a main roller for a multi-wire saw.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the thermal expansion can be reduced to 1/10 to 1/12 by performing heat treatment after integrally bonding the invar material and the carbon steel for mechanical structure by friction welding. It is possible to prevent deterioration, and by adjusting the mechanical properties of the shaft and its bearing, both of them can be fully satisfied, and the conventional induction hardening at the bearing can also be performed, wear resistance Can be further improved. Thus, thermal expansion due to temperature rise during cutting can be prevented, and multiple pieces such as wafers can be cut at a time with high accuracy.
[0009]
More specifically, in the present invention, as shown in FIG. 1, the bearing portion 4 that becomes the fitting portion 5 with the rotating shaft 6 of the main roller can be induction-hardened in order to improve its wear resistance. Moreover, carbon steel for mechanical structure such as S45C having high reliability in mechanical properties is adopted. The roller shaft 1 is preferably an invar material or a super invar as a material having a small thermal expansion coefficient. As a method of joining the shaft 1 of the austenite-based invar material and the carbon steel bearing portion 4 for mechanical structure such as S45C, a solid-phase joining method in which the materials are joined by rotating them with a constant pressure applied between the materials. The friction welding method is used. Friction heat is generated on the joint surface composed of the shaft and the bearing portion 4, the stationary side moves forward with respect to the rotation side, and burrs are generated as a margin to integrally bond to manufacture the main roller. The friction welding of the present invention is performed by preheating, main pressurizing and upsetting processes as shown in the joining state of FIG. At this time, stable bonding can be performed by employing appropriate pressure welding conditions. Further, the friction welding of the present invention is performed by the brake system (braking type) as shown in FIG. 2 or other flywheel system (stock raising type). The temperature rises locally between the materials due to frictional heat and frictional heat due to frictional heat. (Up to the maximum just below the melting point) At that time, the material becomes red hot and softens, and the joint surface curls and bulges. In addition, the stationary side material moves forward with respect to the rotating side (shifting margin). At that time, a sharp increase in torque occurs, and a stable value is quickly reached as the material softens. In this way, preheating, main pressurization, upset and the load are sequentially increased. In the upset process, the shift is abruptly caused by the rotation stop and the upset load, and the joining is completed. With respect to the above steps, FIG. 2 schematically shows changes in temperature, rotational speed, pressure load, friction torque, and shift margin.
[0010]
Further, in the friction welding of the present invention, as will be described later, the oxide, adsorbate, dirt, etc. on the joining surface are pushed out as a flash, and strong solid-phase joining is performed. In this way, there is no occurrence of cast structure, coarse crystal grains, dirt due to the atmosphere, etc. as in fusion welding, which is normal welding, and a sound joint with almost no decrease in strength can be obtained with respect to the base material.
[0011]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
[0012]
【Example】
In this embodiment, the main roller is manufactured by friction welding according to the present invention, and thereafter it is necessary for easy machining, and for stabilizing the thermal expansion coefficient of the invar material to a low level, and for bearing fitting. This was carried out for the determination of process conditions such as a process for obtaining a high hardness.
[0013]
In this example, a super invar material (32Ni-5Co-Fe) and carbon steel for mechanical structure (S45C) as shown in Table 1 were used, and the number of revolutions as shown in Table 2 was set to 1600 revolutions / minute, and a preheating load was used. Friction under friction welding conditions where 2.3 to 2.6 kg / mm ² , pressurization load 9.6 to 10.0 kg / mm ² and upset load 15.5 to 16.0 kg / mm ² are stable joining conditions Pressure welding was performed.
[0014]
[Table 1]

[0015]
[Table 2]

[0016]
A test piece was taken from the joint after the pressure welding and a tensile test was performed. The results are shown in Table 3.
[0017]
[Table 3]

[0018]
From these results, it can be seen that the joining is performed stably by adopting the pressure welding conditions suitable for the size to be joined (particularly the margin: material length before joining-material length after joining). The size A is 2.4 mm or more, the size B is 5 mm or more, and the size C is 7 mm or more. I understand.
[0019]
Next, after completion of the friction welding, a machine finish was performed to produce a main roller. In this example, the thermal expansion coefficient of the Invar material is stabilized to be smaller than that of the conventional material (requirement: A), and at the same time, the machinability for machine finishing of the mechanical structural carbon steel is sufficiently satisfied. (Requirement: B) It was necessary to determine the heat treatment conditions for the invar material and the carbon steel for mechanical structure. As shown in Table 4, after holding the structural structural carbon steel at 830 ° C., air cooling (AC) results in a hardness of H _R C10 or less, which can be easily machined. It was. Also, as shown in Table 5, in the Invar material, after holding at 830 ° C., air cooling (AC) is performed to obtain a low coefficient of thermal expansion of 1.0 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less, and It was found that it can be stabilized.
[0020]
That is, conventionally, a main roller is manufactured by welding work premised on fusion welding, and then, after the welding, strain relief annealing is performed. In this method, it was difficult to apply an austenitic invar material. However, from this example, by establishing the welding conditions that enable the use of friction welding and further regulating the cooling conditions as heat treatment, the hardness of the carbon steel for mechanical structure is extremely reduced, and at the same time, the thermal expansion of the Invar material is conventionally increased. It was possible to lower the material to 1/10 to 1/12 and stabilize it by defining the cooling rate after heating.
[0021]
[Table 4]

[0022]
[Table 5]

[0023]
Thus, by adopting appropriate heat treatment conditions, the requirements of A and B could be made compatible. After this, the fitting surface 5 of the carbon steel bearing portion 4 for mechanical structure could be given the hardness necessary for fitting with the rotating shaft by applying induction hardening conventionally performed.
[0024]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the guide groove of the main roller is prevented from being displaced during cutting due to thermal expansion, a stable dimensional accuracy and surface property of a cut piece such as a large-diameter silicon wafer can be obtained. In addition, since the optimum conditions for friction welding have been grasped, the quality level of the bonding material has been stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a main roller according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing the time of the friction welding and the state of the joining process according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional main roller.
FIG. 4 is a diagram showing an overall configuration of a conventional wire saw.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Low thermal expansion material shaft 2 ... Groove sleeve 3 ... Friction pressure welding part 4 ... Bearing part 5 ... Fitting part 6 ... Rotating shaft 7 ... Hollow part 8 ... Carbon steel shaft 9 ... Welding construction part 10 ... Wire 11 ... Main Roller 12 ... Ingot 13 ... End material box 14 ... Slurry nozzle 15 ... Motor 16 ... Feed unit 17 ... Take-up reel 18 ... New line reel 19 ... Dancer roll

Claims

In a multi-wire saw that cuts with high precision using a plurality of wires suspended on a roller, the shaft of the main roller is made of a low thermal expansion material having a smaller thermal expansion coefficient than that of carbon steel for machine structural use. A main roller for a multi-wire saw, which is integrally formed with a main roller bearing portion made of carbon steel by a friction welding method.

The main roller for a multi-wire saw, wherein the low thermal expansion material according to claim 1 is made of super invar or invar.

In the manufacture of the main roller for a multi-wire saw according to claim 1 or 2, by integrally joining the shaft and the main roller bearing portion by friction welding, and then holding at 800 ° C to 1000 ° C, then regulating the cooling rate The coefficient of thermal expansion of the low thermal expansion material is 1 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less, and at the same time, the hardness of the carbon steel for mechanical structure, which is the mating material of the bearing part, is adjusted to H _R C10 or less. To manufacture a main roller for a multi-wire saw.