特開 2024-70734 切断装置及び切断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024070734

(43)【公開日】2024-05-23

(54)【発明の名称】切断装置及び切断方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 1/04 20060101AFI20240516BHJP

   B28D 5/02 20060101ALI20240516BHJP

   B26D 7/08 20060101ALI20240516BHJP

   B24B 27/06 20060101ALI20240516BHJP

   B24B 55/02 20060101ALI20240516BHJP

   H01L 21/301 20060101ALI20240516BHJP

【ＦＩ】

B24B1/04 B

B28D5/02 A

B26D7/08 A

B24B27/06 M

B24B55/02 D

H01L21/78 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022181423

(22)【出願日】2022-11-11

(71)【出願人】

【識別番号】594114019

【氏名又は名称】株式会社アルテクス

(74)【代理人】

【識別番号】100136180

【弁理士】

【氏名又は名称】羽立 章二

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 茂

【テーマコード（参考）】

3C047

3C049

3C069

3C158

5F063

【Ｆターム（参考）】

3C047FF06

3C047FF17

3C049AA03

3C049AA07

3C049AA17

3C049AC04

3C049CB01

3C049CB10

3C069AA01

3C069BA04

3C069BB02

3C069BC02

3C069BC03

3C069CA05

3C069DA06

3C069EA03

3C069EA05

3C158AA03

3C158AA07

3C158AA16

3C158AC04

3C158CB01

3C158CB10

3C158DA10

3C158DA17

5F063AA05

5F063AA21

5F063BA45

5F063DD02

5F063DD16

5F063FF22

(57)【要約】

【課題】 音エネルギーを利用した加工において、対象物の破壊を防止しつつ、高度な加工を実現することに適した切断装置等を提供する。
【解決手段】 切断装置１は、音エネルギーを利用して対象物を切断する。切断装置１は、ブレード用ホーン１３と、ブレード用ホーン１３に装着されたリングブレード１１と、第１ブースター７と、第２ブースター９と、電歪型振動子５と、モータ３と、第１接点電極１５と、第２接点電極１７と、発振器２９を備える。リングブレード１１は、少なくとも、ダイヤモンド粒子と、金属を含む。第１ブースター７及び第２ブースター９がブレード用ホーン１３を挟んで保持して、リングブレード１１の剛性を維持する。第１接点電極１５及び第２接点電極１７は、発振器２９が出力した正弦波の外部電力を電歪型振動子５に直接供給する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

音エネルギーを利用して対象物を切断する切断装置であって、
ブレード用ホーンと、前記ブレード用ホーンに装着されたリングブレードと、第１ブースターと、第２ブースターと、電歪型振動子と、モータと、第１接点電極と、第２接点電極と、発振器を備え、
前記リングブレードは、少なくとも、ダイヤモンド粒子と、金属を含み、
前記第１ブースター及び前記第２ブースターが前記ブレード用ホーンを挟んで保持し、
前記第１ブースターは、前記電歪型振動子が接続され、
前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、前記電歪型振動子に直接接続し、
前記ブレード用ホーン、前記リングブレード、前記第１ブースター、前記第２ブースター、前記電歪型振動子、前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、直結回転体であり、
前記モータは、前記直結回転体を回転し、
前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、前記発振器が出力した正弦波の外部電力を前記電歪型振動子に直接供給し、
前記電歪型振動子は、供給された外部電力を正弦波の機械的な振動に変換して前記リングブレードに伝え、
前記リングブレードは、当該リングブレードに含まれる金属により前記機械的な振動によって振動して、前記ダイヤモンド粒子が振動して前記対象物を切断する、切断装置。

【請求項2】

リングブレードに冷却液を供給する冷却液供給器を備える請求項１記載の切断装置。

【請求項3】

前記発振器の出力は、１００ワット以上である、請求項１記載の切断装置。

【請求項4】

音エネルギーを利用して対象物を切断する切断装置における切断方法であって、
前記切断装置は、ブレード用ホーンと、前記ブレード用ホーンに装着されたリングブレードと、第１ブースターと、第２ブースターと、電歪型振動子と、モータと、第１接点電極と、第２接点電極と、発振器を備え、
前記リングブレードは、少なくとも、ダイヤモンド粒子と、金属を含み、
前記第１ブースター及び前記第２ブースターが前記ブレード用ホーンを挟んで保持し、
前記第１ブースターは、前記電歪型振動子が接続され、
前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、前記電歪型振動子に直接接続し、
前記ブレード用ホーン、前記リングブレード、前記第１ブースター、前記第２ブースター、前記電歪型振動子、前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、直結回転体であり、
前記モータが、前記直結回転体を回転し、
前記第１接点電極及び前記第２接点電極が、前記発振器が出力した正弦波の外部電力を前記電歪型振動子に直接供給し、
前記電歪型振動子が、供給された外部電力を正弦波の機械的な振動に変換して前記リングブレードに伝え、
前記リングブレードに含まれる金属が前記機械的な振動によって振動して、前記ダイヤモンド粒子が振動して前記対象物を切断するステップを含む切断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、切断装置及び切断方法に関し、特に、音エネルギーを利用して対象物を切断する切断装置等に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、発明者らが提案した超音波振動切断装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－２１０９２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１記載の技術では、振動子が導電性のある覆体を外嵌装着して、覆体を経由して電極が接続される。すなわち、電極は、振動子に接触するものではなく、外部電力の波形がきれいに振動子に伝えられない場合があった。そのため、対象物の破壊などが生じる可能性があった。

【0005】

よって、本発明は、音エネルギーを利用した加工において、対象物の破壊を防止しつつ、高度な加工を実現することに適した切断装置等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願発明の第１の側面は、音エネルギーを利用して対象物を切断する切断装置であって、ブレード用ホーンと、前記ブレード用ホーンに装着されたリングブレードと、第１ブースターと、第２ブースターと、電歪型振動子と、モータと、第１接点電極と、第２接点電極と、発振器を備え、前記リングブレードは、少なくとも、ダイヤモンド粒子と、金属を含み、前記第１ブースター及び前記第２ブースターが前記ブレード用ホーンを挟んで保持し、前記第１ブースターは、前記電歪型振動子が接続され、前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、前記電歪型振動子に直接接続し、前記ブレード用ホーン、前記リングブレード、前記第１ブースター、前記第２ブースター、前記電歪型振動子、前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、直結回転体であり、前記モータは、前記直結回転体を回転し、前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、前記発振器が出力した正弦波の外部電力を前記電歪型振動子に直接供給し、前記電歪型振動子は、供給された外部電力を正弦波の機械的な振動に変換して前記リングブレードに伝え、前記リングブレードは、当該リングブレードに含まれる金属により前記機械的な振動によって振動して、前記ダイヤモンド粒子が振動して前記対象物を切断する。

【0007】

本願発明の第２の側面は、第１の側面の切断装置であって、リングブレードに冷却液を供給する冷却液供給器を備える。

【0008】

本願発明の第３の側面は、第１又は第２の側面の切断装置であって、前記発振器の出力は、１００ワット以上である。

【0009】

本願発明の第４の側面は、音エネルギーを利用して対象物を切断する切断装置における切断方法であって、前記切断装置は、ブレード用ホーンと、前記ブレード用ホーンに装着されたリングブレードと、第１ブースターと、第２ブースターと、電歪型振動子と、モータと、第１接点電極と、第２接点電極と、発振器を備え、前記リングブレードは、少なくとも、ダイヤモンド粒子と、金属を含み、前記第１ブースター及び前記第２ブースターが前記ブレード用ホーンを挟んで保持し、前記第１ブースターは、前記電歪型振動子が接続され、前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、前記電歪型振動子に直接接続し、前記ブレード用ホーン、前記リングブレード、前記第１ブースター、前記第２ブースター、前記電歪型振動子、前記第１接点電極及び前記第２接点電極は、直結回転体であり、前記モータが、前記直結回転体を回転し、前記第１接点電極及び前記第２接点電極が、前記発振器が出力した正弦波の外部電力を前記電歪型振動子に直接供給し、前記電歪型振動子が、供給された外部電力を正弦波の機械的な振動に変換して前記リングブレードに伝え、前記リングブレードに含まれる金属が前記機械的な振動によって振動して、前記ダイヤモンド粒子が振動して前記対象物を切断するステップを含む。

【0010】

本願発明の第５の側面は、第４の側面の切断方法であって、前記モータが前記直結回転体を回転させるときにリングブレードに冷却液を供給する冷却液供給器を備える。

【0011】

本願発明の第６の側面は、第４又は第５の側面の切断方法であって、前記発振器の出力は、１００ワット以上である。

【発明の効果】

【0012】

本願発明の各側面によれば、第１ブースター及び第２ブースターがブレード用ホーンを挟んで保持することによりリングブレードの剛性を高めるとともに、第１接点電極及び第２接点電極が、発振器が出力した正弦波の外部電力を電歪型振動子に直接供給することによりリングブレードにおける振動がきれいな波形となり、リングブレードにおける振動によるダイヤモンド粒子の振動に規則性を含ませることができ、高度な加工を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本願発明の実施の形態に係る切断装置１の構造の一例を説明するための断面図である。

【図2】図１の切断装置１を実際に作成したものの外装を示す。

【図3】外部電力の電圧の正弦波（サイン波形）（ラインＬ₁）と、リングブレード１１における振動の振幅（ラインＬ₂）を示すものである。

【図4】図１の切断装置１によって直径６インチのＳｉＣウエハーを□３ｍｍに切断したものの拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

【実施例0015】

図１は、本願発明の実施の形態に係る切断装置１の構造の一例を説明するための断面図である。

【0016】

図１を参照して、切断装置１は、モータ３と、電歪型振動子５と、第１ブースター７と、第２ブースター９と、リングブレード１１と、ブレード用ホーン１３と、第１接点電極１５と、第２接点電極１７と、冷却液供給器２７と、発振器２９を備える。

【0017】

使用する切断ブレードは、リングブレード１１及びブレード用ホーン１３により形成する。ここで、リングブレード１１及びブレード用ホーン１３は、ブレード用ホーン１３の外周にリングブレード１１を固定する。リングブレード１１の外周側から一部又は全部は、ブレード用ホーン１３の外周よりも越えた状態である。リングブレード１１は、振動の減衰を抑えるために接着剤の厚みが０～５０μｍの薄い接着層で貼り付ける。接着層は、振動エネルギーでは剥がれないものである。なお、音波接合による合金化により固定してもよい。

【0018】

リングブレード１１は、平らなリング状のブレードである。例えば、２つの半径の異なる同心円によって囲まれた形状で、平らで、外周に刃が形成されたものである。リングブレード１１は、例えば、金属とダイヤモンド粒子を含む金属ブレードである。金属ブレードは、例えば、メタルブレード、電鋳ブレードである。メタルブレードは、金属粉とダイヤモンド粒子を混ぜて高圧高温で焼結して作成される金属ブレードである。電鋳ブレードは、ニッケルメッキ液中にダイヤモンド粒子を混入して作成される金属ブレードである。

【0019】

ブレード用ホーン１３は、外周が、中心軸を中心とする円形である。ブレード用ホーン１３は、モータ３の回転によって中心軸を中心に回転する。

【0020】

第１ブースター７及び第２ブースター９は、振動体（ブースター）であって、ブレード用ホーン１３を中心軸の両側から支える。

【0021】

電歪型振動子５は、第１ブースター７に連結する。電歪型振動子５は、例えば、誘導体（絶縁体の液体、等方性の固体）に電場を加えたとき、電場の２乗に比例するひずみを生ずる現象（電気ひずみ）を利用し、電気振動を機械的振動に変換するために用いられる素子を利用するものである。電歪型振動子５は、例えばＰＺＴ振動子である。振動子には、一般に、電歪型と磁歪型がある。電歪型振動子５は、電歪型の振動子である。

【0022】

発振器２９は、正弦波（サイン波形）の外部電力を発生する。発振器２９は、例えば、１００ワット（Watt）以上（例えば、１００ワット以上１２００ワット以下、など）の大出力で、デジタル制御である。

【0023】

第１接点電極１５及び第２接点電極１７は、金属と金属の直接コンタクトにより、発振器２９が発生した外部電力を電歪型振動子５に直接供給する。すなわち、第１接点電極１５及び第２接点電極１７の一方の端は、覆体などを経由せずに、直接、電歪型振動子５に接触して電気的に接続している。図１では、第１接点電極１５の他方の端は、スピンドルの軸に位置する個所に供給された外部電力の正極に接続する。第２接点電極１７の他方の端は、スピンドルの軸の周りに位置する個所に供給された外部電力の負極に接続する。

【0024】

第２ブースター９、ブレード用ホーン１３、リングブレード１１、第１ブースター７、電歪型振動子５、第１接点電極１５及び第２接点電極１７は、結合して一体のものとして回転できる直結回転体である。直結回転体は、モータ３で回転し、例えば、１ｒｐｍ以上１２０００ｒｐｍ以下である。第１内装１９は、第１ブースター７、電歪型振動子５、第１接点電極１５及び第２接点電極１７を含む。第１内装１９は、第１外装２３に覆われ、第１外装２３内で回転できる状態で支持されている。第２内装２１は、第２ブースター９を含む。第２内装２１は、第２外装２５に覆われ、第２外装２５内で回転できる状態で支持されている。第１ブースター７、電歪型振動子５、第１接点電極１５及び第２接点電極１７は、外装に覆われて支持され、回転する。第１ブースター７及び第２ブースター９は、振動体（ブースター）であって、ブレード用ホーン１３を両側から支えることにより切断ブレードの剛性を維持する。

【0025】

少なくとも、リングブレード１１による切断処理が行われるとき、冷却液供給器２７は、リングブレード１１に対して、水などの冷却液を供給する。切断中、リングブレード１１は、冷却液で冷やされ、かつ、音波振動又は超音波振動による効果と洗浄効果で焼き付きが発生しないことで、構成刃先がなく切断することができる。さらに、自生発刃によるダイヤモンド粒子の脱粒と摩耗低減効果で、ダイヤモンド粒子を時間を掛けて最後まで利用できるようになり、ブレードの使用距離が延びる長寿命化に繋げることができる。

【0026】

電歪型振動子５は、第１接点電極１５及び第２接点電極１７から直接供給された電気振動を機械的振動に変換して、切断ブレードが使用する音波振動又は超音波振動を生成する。電歪型振動子５が生成した機械的振動は、第１ブースター７及びブレード用ホーン１３を経由してリングブレード１１に伝わる。発明者は、発振器が発振した周波数１０～５０ｋＨｚの電気振動について、電歪型振動子５が機械的振動に変換して音波振動・超音波振動の音エネルギーとし、リングブレード１１がこの音エネルギーと共振して切断を実現できることを確認した。

【0027】

ブレード用ホーン１３は、電歪型振動子５により生成された音波振動（２０ｋＨｚ未満の振動）又は超音波振動（２０ｋＨｚ以上の振動）に共振する。リングブレード１１は、ブレード用ホーン１３が音波振動又は超音波振動に共振したときに、音波振動とも超音波振動とも共振できる。そのため、音波振動又は超音波振動は、ブレード用ホーン１３によってリングブレード１１に伝わる。特に、リングブレード１１とブレード用ホーン１３は、接着剤による一体化及び／又は音波接合による合金化により固定することにより、金属間のつながり強度と密度から、リングブレード１１は音波振動又は超音波振動と共振し、音エネルギーの伝達効率がほぼ１００％となる。これによって、リングブレード１１に含まれるダイヤモンド粒子は、無機質（ＳｉＣ、セラミックスを含む。）、金属、プラスチック等の対象物を切断することができる。

【0028】

図１の切断装置１では、発振器２９の綺麗な正弦波出力を電歪型振動子５に直接給電する。直結回転体を構成して、両支持構造のスピンドル構造によってリングブレード１１の剛性を維持する。リングブレード１１に含まれるダイヤモンド粒子は、一見すると運動のベクトル（特に振動振幅の加速度と方向）がランダムなものとなるが、与えられる信号がきれいな正弦波の波形であるために、ランダムの中にも規則性があるもの（いわば「カオス運動」と称すべきもの）に変化した。その結果として、振動で破壊されやすいＳｉＣ、ガラスなどの無機質、セラミックスへのダメージが抑えられて、規則的でチッピングが細かい綺麗な切断が可能となった。このように、直接連結及び直接給電、かつ、両支持構造のスピンドル構造が、切断が困難だったＳｉＣ、金属、セラミックス、樹脂等、さらに、これらの複合素材の切断を可能とした。この切断は、例えば、回転数１ｒｐｍ以上１２０００ｒｐｍ以下の範囲で可能であった。音波振動又は超音波振動が伝達共振できるのは、リングブレードが金属ブレードであり、例えば、メタルブレード、電鋳ブレード（ニッケル電鋳ブレードなど）などである。

【0029】

これらの構成によって、切断スピードが格段に速くなった。例えば切断が困難な厚みが0.35mmのＳｉＣウエハーを２０ｍｍ／ｓｅｃ以上のスピードで切断することが可能となった。

【0030】

さらに、ブレードの耐磨耗性が大幅に向上した。例えば切断が困難な厚みが０．３５ｍｍで直径６インチのＳｉＣウエハーを、□３ｍｍのワンパス切断において磨耗量が約３０μｍであった。

【0031】

さらに、切断中のショックが和らぎ、ブレードの偏心による片当たりが発生しても綺麗な切断が可能となった。結果として切断事前及び切断中のブレードのドレスプロセスが不要となった。

【0032】

図２は、図１の切断装置１を実際に作成したものの外装を示す。

【0033】

図３は、外部電力の電圧の正弦波（サイン波形）（ラインＬ₁）と、リングブレード１１における振動の振幅（ラインＬ₂）を示すものである。図３に示すように、第１接点電極１５及び第２接点電極１７が外部電力を電歪型振動子５に直接供給することにより、リングブレード１１における振動の振幅は、外部電力の電圧のサイン波形とほぼ同じ形状のサイン波形を描くものとなる。

【0034】

図４は、図１の切断装置１によって直径６インチのＳｉＣウエハーを□３ｍｍ（一辺が３ｍｍの正方形）に切断したものの拡大図である。

【0035】

音波振動も超音波振動も印加せずに、厚みが０．３５ｍｍで直径６インチのＳｉＣウエハーのカット切断を試みた場合、アルミホーンにＮｉをメッキした電鋳ブレード、レジンブレード、メタルブレードを回転数１００００ｒｐｍで切断を試みたが、全てのブレードが破壊されて全く切断できなかった。

【0036】

リングブレード１１としてメタルブレードを使用し、音波振動又は超音波振動を印加した場合について説明する。メタルブレードは、回転しながら振動する。振動は、メタルブレードに含まれる数μm～数十μmのダイヤモンドの粒子に伝わる。切断装置１の図示を省略する水平送り機構で、ＳｉＣウエハーに当たるメタルブレードは水で冷却されてかつ振動の効果で構成刃先がなくなって、ＳｉＣウエハーを切断する。さらに自生発刃によるダイヤモンド粒子の脱粒と磨耗が少なく最後まで利用できる。

【0037】

例えば、厚みが０．３５ｍｍのＳｉＣウエハーを□３ｍｍに切断する場合の条件は、スピンドル回転数が１００００ｒｐｍ、切断スピードが２０ｍｍ／ｓｅｃ、音波又は超音波の機械振動の振動振幅が３μｍ、供給される冷却水量が２．５ｌ／ｍｉｎであった。図４に示すように、ＳｉＣウエハーへのダメージや破壊がなく、小さなチッピングで綺麗に切断することができた。

【符号の説明】

【0038】

１ 切断装置
３ モータ
５ 電歪型振動子
７ 第１ブースター
９ 第２ブースター
１１ リングブレード
１３ ブレード用ホーン
１５ 第１接点電極
１７ 第２接点電極
１９ 第１内装
２１ 第２内装
２３ 第１外装
２５ 第２外装
２７ 冷却液供給器
２９ 発振器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】