JP2000263499A - 脆性材料の切断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力伝達筒と被切断材との摩擦力をより高く
することにより、低い圧力でかつ多数の切断面で脆性材
料を切断することができる脆性材料の切断方法を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 柱状の脆性材料の側面に予め切断すべき
断面を指定する条痕を設け、次いでこの脆性材料より小
さいヤング率を有する材料よりなる圧力伝達筒を前記脆
性材料の外周に配置し、この圧力伝達筒を介して前記脆
性材料の側面に圧力を加えることにより前記条痕位置で
前記脆性材料を切断する脆性材料の切断方法において、
前記圧力伝達筒がポリカーボネートにより形成されてい
ることを特徴とする脆性材料の切断方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン、ＧａＡ
ｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどの化合物半導体、石英あるいは
酸化物単結晶等の脆性材料の切断方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】シリコンなどの単結晶または多結晶、あ
るいはガラスのような脆性材料（被切断物）を切断する
方法としては、ワイヤーソー切断、内周刃切断または外
周刃切断などのように、脆性材料を切断したい面に沿っ
て削り取ることによって切断する除去加工と、脆性材料
の切断箇所に切込みを入れ、曲げ、熱膨張またはプレス
等によって、この切込みを押し広げて亀裂が広がるよう
に、切込みの部分に応力を加えて切断する割加工とが知
られている。

【０００３】除去加工は割加工に比べて、切断ロスが大
きいという問題がある。すなわち、例えば内周刃切断で
は刃厚は薄くても０．３ｍｍ程度であるし、切断ロスが
比較的少ないワイヤーソー切断でもワイヤーの太さは
０．２ｍｍ程度であるため、少なくとも切断に用いる刃
厚やワイヤーの太さの分だけ脆性材料を屑にしてしま
い、割加工に比べて切断ロスが大きくなるのである。大
きい切断ロスは、シリコン、サファイヤ、ジルコニア、
石英のような高価な材料の切断において、コスト高を引
き起こす直接的原因となる。特に、薄く切断する時に
は、切断により得られる薄板に比べて切断ロスの比率が
大きくなり、切断ロスによる歩留低下が特に問題とな
る。さらに、除去加工は割加工に比較して切断に要する
時間が長いという問題点がある。

【０００４】一方、割加工は、除去加工に比べて、切断
に要する時間が短く、加工ロスも少ない。しかし、割加
工のうち、脆性材料を曲げによって切断する方法におい
ては、脆性材料を曲げて亀裂が広がるように切込みの部
分に応力を加えた時に、目的とする方向以外にも亀裂が
伸びたり、砕けたり、切断面が平滑にならないという問
題がある。

【０００５】また、脆性材料を熱膨張によって切断する
方法においては、切込みに沿って電熱線を巻いて電流を
流すことによって、または、切込みの部分に、温度の高
い物体を接触させることによって切断を行う。しかしな
がら、脆性材料の熱膨張により切込みの部分に応力を加
えた時に、亀裂が目的とする方向以外にも伸びてしまう
という問題がある他、この方法は熱伝導率が高い脆性材
料を切断する際には適用できないという問題がある。

【０００６】このような欠点の無い割加工法として、特
開昭５０−７２２７９号公報に記載されるような圧力を
用いた方法（以下、第１の方法とする。）が知られてい
る。この第１の方法について図２を用いて説明する。こ
の第１の方法においては、図２に示すように、まず筒状
の圧力容器１内に被切断材である脆性材料２が挿入さ
れ、この脆性材料２の切断予定箇所に設けられた条痕３
をはさむようにＯリング４が配置される。次いで、上記
圧力容器１と脆性材料２との間に形成された気密な空間
５に圧力媒体導入孔６から圧力媒体を導入し加圧するこ
とにより、上記条痕３の位置で切断が行われるものであ
る。しかしながら、この第１の方法では、１回の昇圧で
一つの断面しか形成できないという問題があり、さらに
脆性材料を切断するためには、極めて高い圧力が必要で
あるという問題点を有する。

【０００７】このような問題点を改良した方法として特
公昭６１−１３９５８号公報に記載されるような方法が
提案されている。この方法（以下、第２の方法とす
る。）は上記第１の方法とほぼ同様な方法であるが、図
１に示すように圧力を加える際に圧力伝達筒７を介して
脆性材料２に圧力を加えるところに特徴を有するもので
ある。この例では４つ設けられている条痕３の位置で切
断が行われる。ここで、圧力伝達筒７を形成する材料の
ヤング率は、脆性材料２のヤング率より小さくされてい
る。

【０００８】この第２の方法を用いた場合、上述したよ
うに圧力伝達筒７を介して脆性材料２に圧力が加えられ
るのであるが、この際、圧力伝達筒７および脆性材料２
のそれぞれの側面に圧力が加わると、圧力伝達筒７およ
び脆性材料２のいずれもがそれぞれ軸方向に伸びようと
する。しかしながら、ヤング率の低い圧力伝達筒７の伸
びは脆性材料２の伸びより大きくなるため、圧力伝達筒
７と脆性材料２との間に摩擦力が生じ、この摩擦力によ
り脆性材料２は引張張力を受けることになる。このよう
な引張張力が脆性材料２に加えられることから、上述し
た第１の方法と比較して、より低い圧力で脆性材料２を
切断することができる。また、脆性材料２の周囲を圧力
伝達筒７が囲っていることから、第２の方法では一つの
断面を形成した後も圧力を上昇させることにより複数の
断面を形成することが可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この第
２の方法においては、上述したように圧力伝達筒７と脆
性材料２との間の摩擦力により脆性材料２に引張張力を
加え、これにより脆性材料２を切断するものであるの
で、この圧力伝達筒７と脆性材料２との間の摩擦力が小
さい場合は、脆性材料２に加わる引張張力が十分でな
く、低い圧力で脆性材料２を切断するという効果を得る
ことができず、また一回の昇圧により多数の切断面を得
ることができないという問題がある。すなわち、通常用
いられているナイロンやアクリル製の圧力伝達筒７を用
いた場合は、脆性材料２と圧力伝達筒７との間に滑りが
生じてしまい、切断に際して高い圧力を必要とし、さら
に一回の昇圧で多数の切断面を得ることが困難であると
いう問題がある。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、圧力伝達筒と脆性材料との摩擦力をより高く
することにより、低い圧力でかつ多数の切断面で脆性材
料を切断することができる脆性材料の切断方法を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、本発明の請求項１に記載
した発明は、柱状の脆性材料の側面に予め切断すべき断
面を指定する条痕を設け、次いでこの脆性材料より小さ
いヤング率を有する材料よりなる圧力伝達筒を前記脆性
材料の外周に配置し、この圧力伝達筒を介して前記脆性
材料の側面に圧力を加えることにより前記条痕位置で前
記脆性材料を切断する脆性材料の切断方法において、前
記圧力伝達筒がポリカーボネートにより形成されている
ことを特徴とする脆性材料の切断方法である。

【００１２】このように圧力伝達筒をポリカーボネート
により形成することにより、通常使用されているナイロ
ンやアクリルを用いた場合と比較して、圧力伝達筒と脆
性材料との摩擦力が増加し、より低い圧力で被切断材で
ある脆性材料を切断することができ、かつ一回の昇圧に
おいて多数の切断面で脆性材料を切断することができ
る。

【００１３】また、本発明においては、請求項２に記載
するように、条痕が設けられる前に、脆性材料表面にエ
ッチングを施すことが好ましい。このように、条痕が設
けられる前に脆性材料表面にエッチングを施すことによ
り、表面の加工ダメージ層が除去されるため、ポリカー
ボネート製の圧力伝達筒から脆性材料に引張張力が加わ
った場合でも、条痕以外の場所に応力集中が生じ切断が
起こることがないことから、不要な切断を防ぐことがで
きる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。本発明により切断に供される脆性材料としては、例
えば、シリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどの化合
物半導体、石英、サファイアもしくはジルコニアの単結
晶または多結晶、種々の酸化物単結晶、磁性材料等、あ
るいはガラス等が挙げられるが、特にシリコン単結晶、
合成石英の切断に有益である。この脆性材料の形状とし
ては、柱状であればどのような形状のものであっても本
発明により切断することができるが、特には円柱状の脆
性材料の切断に好適である。

【００１５】本発明においては、このような脆性材料に
対して、予め切断すべき断面を指定する条痕を設ける。
ここでいう条痕とは、ノッチ、筋もしくは溝等の切込み
その他を意味するもので、その形態は問わない。この条
痕の形成方法としては、例えば砥粒を固定した回転体
（例えば内周刃や外周刃等）を押し当てて形成する方法
や、ビッカース圧子を押し当てて形成する方法等があ
る。

【００１６】また、条痕の形状としては、軸方向に垂直
な方向にクラックがはいるものであれば特に限定される
ものではなく、例えばビッカース圧子を用いた場合に形
成されるような十字形状、砥粒を固定した回転体を用い
た場合に形成されるような直線状のもの、さらには軸に
対して垂直となるように外周に沿って環状に入れてもよ
い。

【００１７】本発明においては、この脆性材料の外周に
脆性材料より小さいヤング率を有する材料よりなる圧力
伝達筒を配置するのであるが、本発明は、この圧力伝達
筒がポリカーボネートからなることを特徴とするもので
ある。このようにポリカーボネートを用いることによ
り、切断に際して脆性材料との摩擦力が上昇し、より低
い圧力でかつ多数の切断面で脆性材料を切断することが
できる。本発明に用いられるポリカーボネートとして
は、筒状に成形できるものであれば特に限定されるもの
ではなく、脂肪族ポリカーボネートであっても芳香族ポ
リカーボネートであってもよく、また単一のポリカーボ
ネートからなるもののみならず、複数のポリカーボネー
トをブレンドしたもの、もしくは他のポリマーとブレン
ドしたものであってもよい。また、他のモノマーとの共
重合体を用いてもよい。

【００１８】本発明においては、より低い圧力での脆性
材料の切断を可能とするためには、上記ポリカーボネー
トの内、被切断物との間の静摩擦係数（μ_s ）が０．４
以上のものを圧力伝達筒に用いるのに好ましく、特に好
ましくは静摩擦係数（μ_s ）が０．５以上のものであ
る。なお、このような静摩擦係数μ_s の測定方法は、傾
斜が自在に変えられる台座を設けた静摩擦係数測定装置
を用いて次のように行った。静摩擦係数測定装置の台座
上に被切断物とポリカーボネートのうちの一方を固定
し、他方をその上に載せた後、台座を一定角速度で傾斜
させ、すべり始める傾斜角θから静摩擦係数（μ_s ）を
ｔａｎθとして求めた。

【００１９】また、このポリカーボネート製の圧力伝達
筒のヤング率は脆性材料のヤング率より小さいことが必
要である。これは、圧力伝達筒および脆性材料側面に圧
力が加わった場合に、圧力伝達筒および脆性材料のいず
れもがそれぞれ軸方向に伸びようとするのであるが、圧
力伝達筒のヤング率を小さくすると圧力伝達筒の伸びは
脆性材料の伸びより大きくなるため、脆性材料は引張張
力を受けることになり、この引張張力により脆性材料が
条痕の位置で切断されるためである。

【００２０】本発明においては、上記ポリカーボネート
製の圧力伝達筒と脆性材料との間に液体を密封してもよ
い。液体を密封することにより、圧力伝達筒を介して脆
性材料側面に圧力が加わった場合、密封された液体が条
痕内に侵入し、これを押し広げようとする作用が働き、
より低い圧力で脆性材料を切断することができるからで
ある。

【００２１】また、本発明においては、脆性材料に条痕
を設ける前に、この脆性材料表面にエッチングを施して
もよい。エッチングを施すことにより、脆性材料表面の
加工ダメージ層を除去することができ、設けられた条痕
以外の場所に応力集中が生じ切断が起こることがないこ
とから、不要な切断を防ぐことができる。このようなエ
ッチングに用いられるエッチング剤としては、酸エッチ
ングに用いるエッチング剤が好ましい。そして、酸エッ
チングに用いられるエッチング剤としては硝酸、フッ
酸、酢酸、塩酸、および硫酸の内、少なくとも１種類を
含むエッチング剤を挙げることができ、被加工物、すな
わち脆性材料の化学的性質から選択されるものである。

【００２２】また、エッチングにより除去する脆性材料
表面の厚み（エッチング代）は、１０μｍ〜１００μｍ
の範囲内とすることが好ましい。このエッチング代は、
加工ダメージ層等の有効な条痕を設けるに際して問題と
なる層を除去するのに最小限必要な厚みであればよい
が、加工ダメージ層等の厚みのバラツキを考慮すると上
記範囲内となるようにエッチングが行われる。さらに、
脆性材料のエッチング後の表面粗さが、Ｒｍａｘで１μ
ｍ以下、特にＲｍａｘで０．５μｍ以下となるようにエ
ッチングが施されることが好ましい。このようにエッチ
ングを行うことにより、加工ダメージ層等の有効な条痕
を設けるに際して問題となる層を除去することができる
からである。

【００２３】本発明において、脆性材料の側面に圧力を
加える装置としては、特に限定されるものではないが、
例えば図１に示す装置等が挙げられる。この装置を用い
て脆性材料を切断する方法を以下説明する。図中１で示
される圧力容器内に周囲にポリカーボネート製の圧力伝
達筒７が配置された柱状の脆性材料２を挿入し、この脆
性材料２の切断予定箇所に設けられた条痕３をはさむよ
うにＯリング４を配置し、上記圧力容器１と脆性材料２
との間に形成された気密な空間５に圧力媒体導入孔６か
ら圧力媒体を導入し加圧する。これにより、圧力伝達筒
７を介して脆性材料２の側面に圧力が加わり、その結果
上記条痕３の位置で切断を行うことができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を示す
が、本発明はこれらに限定されるものではない。 （実施例）＃８００のダイヤモンドホイールを装着した
円筒研削盤を用い、シリコン単結晶を軸方位が〈１１
１〉となるように直径２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱形
に加工した。次にこのシリコン円柱を濃硝酸、濃フッ
酸、濃酢酸を容積比で６：１：２に混合した混酸に３０
分間浸漬した後、純水で洗浄した。このときシリコン円
柱の表面は約８０μｍ侵食され、表面粗さはＲｍａｘで
約０．５μｍとなっていた。

【００２５】このシリコン円柱の側面にピラミッド状の
頂点を持つビッカース圧子を１ｋｇｆの力で１０秒間押
し当て、対頂角間の距離が約５０μｍの正方形の塑性変
形部と四つの頂角から伸びる四本のクラックを形成し
た。この操作を１．５ｍｍ間隔で２０回繰り返し、側面
に２０個の条痕を形成したシリコン円柱を作成した。こ
れを外径２４ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍのポリ
カーボネート製の圧力伝達筒に挿入した後、図１に示す
圧力容器に挿入し、側面に２０００ｋｇｆ／ｃｍ ² の圧
力を３分間加えた。その結果、２０個全ての条痕を起点
とする断面が形成され、それ以外の不要な断面は形成さ
れなかった。

【００２６】（比較例１）実施例と同じ条件で製作した
シリコン円柱を外径２４ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ４０
ｍｍのアクリル製圧力伝達筒に挿入した後、図１の圧力
容器に挿入し、側面に２０００ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力を
３分間加えた。その結果、２０個の条痕のうち１４個の
条痕からしか断面を形成することができなかった。

【００２７】（比較例２）実施例と同じ条件で製作した
シリコン円柱を外径２４ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ４０
ｍｍのポリアセタール製圧力伝達筒に挿入した後、図１
の圧力容器に挿入し、側面に２０００ｋｇｆ／ｃｍ² の
圧力を３分間加えた。その結果、２０個の条痕のうち４
個の条痕からしか断面を形成することができなかった。

【００２８】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００２９】例えば、脆性材料側面に圧力伝達筒を介し
て圧力を加える方法を筒状の圧力容器を用いて行った
が、本発明はこのような筒状の圧力容器を用いることに
限定されるものではなく、圧力伝達筒を介して脆性材料
の側面に圧力が加えられる方法であればいかなる方法で
あってもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、柱状の脆性材料の側面に予め
切断すべき断面を指定する条痕を設け、次いでこの脆性
材料より小さいヤング率を有する材料よりなる圧力伝達
筒を前記脆性材料の外周に配置し、この圧力伝達筒を介
して前記脆性材料の側面に圧力を加えることにより前記
条痕位置で前記脆性材料を切断する脆性材料の切断方法
において、前記圧力伝達筒がポリカーボネートにより形
成されている脆性材料の切断方法である。このように圧
力伝達筒をポリカーボネートにより形成することによ
り、通常使用されているナイロンやアクリルを用いた場
合と比較して、圧力伝達筒と脆性材料との摩擦力が増加
し、より低い圧力で被切断材である脆性材料を切断する
ことができ、かつ一回の昇圧で多数の切断面において脆
性材料を切断することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いられる圧力負荷装置の一例を示す
断面図である。

【図２】圧力負荷装置の他の例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ … 圧力容器、 ２ … 脆性材料、 ３ … 条
痕、４ … Ｏリング、 ５ … 空間、 ６ … 圧
力媒体導入孔、７ … 圧力伝達筒。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の脆性材料の側面に予め切断すべき
   断面を指定する条痕を設け、次いでこの脆性材料より小
   さいヤング率を有する材料よりなる圧力伝達筒を前記脆
   性材料の外周に配置し、この圧力伝達筒を介して前記脆
   性材料の側面に圧力を加えることにより前記条痕位置で
   前記脆性材料を切断する脆性材料の切断方法において、
   前記圧力伝達筒がポリカーボネートにより形成されてい
   ることを特徴とする脆性材料の切断方法。
2. 【請求項２】 前記条痕が設けられる前に、前記脆性材
   料表面にエッチングを施すことを特徴とする請求項１記
   載の脆性材料の切断方法。