JP3296781B2

JP3296781B2 - 水性切削液、その製造方法、ならびにこの水性切削液を用いた切削方法

Info

Publication number: JP3296781B2
Application number: JP12826898A
Authority: JP
Inventors: 新吾鏑木; 昭雄芦田; 悦男木内
Original assignee: Mimasu Semiconductor Industry Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Mimasu Semiconductor Industry Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2002-07-02
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: EP1001006A1; CN1208443C; TWI229128B; JPH11302681A; DE69911549T2; EP1001006B1; CN1258311A; EP1001006A4; KR20010020235A; DE69911549D1; CN1441040A; KR100520714B1; CN1113951C; US6221814B1; WO1999054427A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン単結晶、
シリコン多結晶、化合物半導体等の半導体材料からなる
インゴット、あるいはセラミック・ブロック等の被加工
物を切断する際に用いられる切削液の性能安定性、安全
性、廃液処理性の改善に関し、また該切削液の簡便な製
造方法、ならびにこれを用いた信頼性の高い安全な切削
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にワイヤソーやバンドソー等の切削
工具を用いて被加工物を切断する場合、切削工具と被加
工物との間の潤滑、摩擦熱の除去、切削屑の洗浄を目的
として切削液が広く使用されている。たとえば被加工物
としてシリコン単結晶のインゴットをスライスしてウェ
ーハを製造する場合には、鉱物油や高級炭化水素を主成
分とする分散媒中にＳｉＣ（炭化珪素）等からなる遊離
砥粒を分散させたスラリー状の非水性切削液が広く用い
られている。切断により得られたウェーハは、トリクロ
ロエタンやジクロロメタンといった安価で洗浄力の高い
塩素系有機溶媒を用いて洗浄される。

【０００３】このように切削工具と被加工物と砥粒との
動的接触によって切断が行われる系では、切削液中にお
ける砥粒の分散性を高めることが、切削性能を常に一定
に保つ上で重要である。分散性を高めるための手法に
は、大別して（ａ）分散剤を添加する方法と、（ｂ）増
粘剤を添加する方法とがある。上記（ａ）の方法は、砥
粒そのものの分散性を積極的に高めようとするものであ
る。一般に流体中における粒子の分散性は、個々の粒子
の質量が小さく、各粒子間に電気二重層あるいは吸着分
子の立体障害等の要因によって十分な反発力が働き、か
っ個々の粒子が一次粒子（凝集していない状態の粒子）
として存在する場合に良好となり、沈降速度は遅くな
る。このために、電解質、あるいはある程度の長さを持
ったアルキル鎖等の親油基を有する界面活性剤を分散剤
として添加することが行われている。一方、上記（ｂ）
の方法は、分散媒の粘度を高めることにより、砥粒のブ
ラウン運動を阻害して沈降速度を遅らせようとするもの
である。増粘剤としては、ベントナイトが知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、非水性
切削液には解決すべき課題も多い。まず、従来の非水性
切削液の分散媒として広く用いられている有機溶媒は、
臭気が強く、また、種類によっては引火性を有するな
ど、作業環境を悪化させる原因を有している。また、上
述のようないわば油性の切削液を用いて切断された被加
工物は、これを溶解除去することが可能な有機溶媒を用
いて洗浄する必要がある。しかし、たとえば半導体ウェ
ーハの洗浄に多用されているジクロロエタンはオゾン層
破壊物質に指定されているため、全廃に向けて今後は使
用量を削減してゆかねばならないが、代替物質の経済性
や洗浄力は現状ではまだ不足している。

【０００５】上記（ａ）の分散剤を添加する方法には、
沈殿物のハードケーキ化の問題がある。分散剤の添加に
よって分散性が高められた砥粒は、沈降速度は確かに遅
いが、堆積の過程では互いに密に接触して反発力を上回
る荷重で圧縮され、ハードケーキを形成してしまう。ハ
ードケーキが一旦形成されると、元と同じ状態に再分散
させることは困難である。したがって、このような沈殿
物を生じた切削液を長時間攪拌して再利用しようとして
も、結果的には砥粒濃度の低い状態で使用することにな
り、切削性能が低下してしまう。また、切削液の供給系
統の配管が目詰まりを起こしたり、あるいはハードケー
キを粉砕するための工具の磨耗が早まる等の問題もあ
る。

【０００６】個々の砥粒の質量が大きく、各粒子間の反
発力が小さければ、ハードケーキ化の問題は解消され
る。それは、主に分散媒中に存在する多価イオンが介在
して砥粒同士を電気的に結合させる結果、空隙の多い柔
らかな凝集塊（フロキュレート）が生じるので、経時的
にも比較的柔らかい沈殿物（ソフトケーキ）が形成され
るからである。ソフトケーキであれば、再分散も容易で
ある。しかし、このような切削液中では砥粒を一次粒子
状態に維持することがむずかしく、また分散媒中におけ
るフロキュレートの沈降速度も速いために、切削液中の
砥粒濃度分布が不均一化し、切削性能が不安定となりや
すい。このため、結局は分散性の高い切削液を使用せざ
るを得ず、再利用の難しい使用済みの切削液は回収後、
一般に焼却処分される。この焼却に際しては、有機溶媒
の燃焼に起因する二酸化炭素が大量に放出され、地球温
暖化防止の観点から好ましくない。

【０００７】一方、上記（ｂ）のように増粘剤を添加す
る方法は、切削液の粘度が不変であるという仮定の下で
は一定の効果が保証されるが、実際には切削液の粘度は
種々の要因で変化する。まず、切削液の粘度は、切削屑
が混入すると一般に増大する。粘度が増大すると、均質
な砥粒を被加工物の切断面に常に一定の割合で供給する
ことができなくなるので、一般には切削屑の混入量が切
削液の３〜４重量％に達すると切削液を交換する必要が
ある。このことが、切削液の廃棄量を増やし、ひいては
その焼却に伴って発生する二酸化炭素の量を増やすこと
になる。

【０００８】また、水分が混入しても非水性切削液の粘
度は増大する。したがって、水分混入を防ぐために従来
は、たとえばワイヤソーの装置内におけるウェーハやイ
ンゴット取付けべースの洗浄作業に大きな制約があっ
た。すなわち、非水性切削液を用いる系では洗浄液も有
機溶媒でなければならないので、切削液タンクとは別に
設けた洗浄タンクに洗浄液を満たして洗浄を行う必要が
ある。これでは装置の占有面積が増大し、さらには有機
溶媒の使用量も増えて作業環境や地球環境がますます悪
化する原因となる。逆に、分子剪断により分散媒の分子
構造が破壊されると、非水系切削液の粘度は低下し、切
削性能が不安定化する。

【０００９】上述したように、非水性切削液においては
作業環境や地球環境へのインパクトを抑え、かつ切削性
能の維持に必要な砥粒の高い分散性の達成と、再利用性
や設備の保守性の改善に必要なハードケーキ化の防止と
を両立させることが極めてむずかしい。そこで本発明
は、これらの間題を解決した水性切削液、その製造方
法、ならびにこの水性切削液を用いた切削方法を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の水性切削液は
（１）エチレングリコール、エチレングリコールのエス
テル誘導体、エチレングリコールのエーテル誘導体、グ
リセリン、グリセリンのエステル誘導体およびグリセリ
ンのエーテル誘導体（ただし炭素数は２〜６である。）
からなる群より任意に選ばれた少なくとも一種の化合物
である第１の多価アルコール系化合物と、（２）プロピ
レングリコール、プロピレングリコールのエステル誘導
体、プロピレングリコールのエーテル誘導体およびポリ
エチレングリコール（ただし炭素数は２〜６である。）
からなる群より任意に選ばれた少なくとも一種の化合物
である第２の多価アルコール系化合物と、（３）水とを
含む分散媒中に、砥粒が珪酸コロイド粒子と共に分散さ
れてなることを特徴とする（請求項１）。かかる水性切
削液によれば、砥粒の分散性が向上されることはもちろ
ん、たとえ経時的に砥粒が沈降しても砥粒の粒子間に珪
酸コロイド粒子が介在される形で堆積が進行するため、
沈殿物はハードケーキ化せず、容易に再分散させること
が可能となる。

【００１１】かかる本発明の水性切削液の製造方法は、
エチレングリコール、エチレングリコールのエステル誘
導体、エチレングリコールのエーテル誘導体、グリセリ
ン、グリセリンのエステル誘導体およびグリセリンのエ
ーテル誘導体（ただし炭素数は２〜６である。）からな
る群より任意に選ばれた少なくとも一種の化合物である
第１の多価アルコール系化合物と、水と、珪酸塩とを混
合して珪酸を生成させた第１液を調製する工程と、前記
第１液と、プロピレングリコール、プロピレングリコー
ルのエステル誘導体、プロピレングリコールのエーテル
誘導体およびポリエチレングリコール（ただし炭素数は
２〜６である。）からなる群より任意に選ばれた少なく
とも一種の化合物である第２の多価アルコール系化合物
を主体とする第２液とを混合して前記珪酸をコロイド粒
子として安定化させた水性組成物を得る工程と、前記水
性組成物に砥粒を混合分散させる工程とを有することを
特徴とする（請求項５）。上記水性切削液は、被加工体
と切削手段とを動的に接触させながら該被加工体を切削
する際に用いるのに好適である（請求項７）。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の水性切削液は、前記第１
の多価アルコール系化合物と、前記第２の多価アルコー
ル系化合物と、水とを含む分散媒中に、砥粒が珪酸コロ
イド粒子と共に安定して分散されてなることを大きな特
色としている。

【００１３】前記第１の多価アルコール系化合物は、珪
酸塩から珪酸を生成させるための触媒の役割を果たして
いる。一例として、エチレングリコールの作用でメタ珪
酸カリウムからメタ珪酸が生成する過程を次式（ｉ）に
示す。

【００１４】

【化１】

【００１５】副生したエチレングリコールのカリウム塩
は周囲の水とのイオン交換によりエチレングリコールに
再生される。この過程を次式（ｉｉ）に示す。

【００１６】

【化２】

【００１７】ここで、式（ｉ），（ｉｉ）の反応生成物
が共存する組成物は初めはゲル状を呈しているが、該組
成物中の水分が非常に少ない場合は、放置により次第に
ゼリー状へと変化する。しかし、上記混合物中における
水の含有量が多い場合には、ゼリー状とはならない。こ
のことより、上記のゼリー化は、メタ珪酸の脱水縮合に
よる二珪酸の生成、あるいはそれ以上の高次のポリマー
の生成にもとづくものと考えられる。二珪酸の生成過程
を次式（ｉｉｉ）に示す。

【００１８】

【化３】

【００１９】組成物がこのようにゼリー化してしまう
と、たとえばこの組成物に砥粒を混合して切削液として
用いようとする場合、切削面に新たな砥粒を円滑に供給
することができず、切削性能を低下させることになる。
したがって、組成物にはある程度の水が含まれているこ
とが必要である。ただし、水が多過ぎると今度は珪酸コ
ロイド粒子が完全にイオン化して、凝集・沈殿してしま
い、砥粒の分散に寄与できなくなる。

【００２０】そこで本発明の水性組成物において、上記
のゼリー化を防止する役割を果たすものが前記第２の多
価アルコール系化合物である。この第２の多価アルコー
ル系化合物は、分散媒中に適当量添加されることにより
上記メタ珪酸の水への溶解度を低下させ、珪酸コロイド
粒子をイオン化させずに安定化することに寄与する。ま
た、本発明の水性切削液においては、分散媒の構成成分
である水により、以下のイオン交換反応が生じる。これ
を、次式（ｉＶ）に示す。

【００２１】

【化４】

【００２２】しかし、このときの環境の親油性が強すぎ
ると、メタ珪酸とそのカリウム塩とが反応して酸化シリ
コンの微粒子が生成する。この過程を、次式（Ｖ）に示
す。

【００２３】

【化５】

【００２４】つまり、せっかく生成した珪酸がそのまま
の形で維持されずに、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）に変化
して沈降してしまうのである。したがって、本発明では
第１の多価アルコール系化合物と第２の多価アルコール
系化合物との含有量のバランスが特に重要なのである。
第１の多価アルコール系化合物の含有量に対し、第２の
多価アルコール系化合物の含有量をおおよそ２．５〜２
０．０倍の範囲に選択することが好ましい（請求項
４）。

【００２５】本発明で使用する第１の多価アルコール系
化合物としてはエチレングリコールやグリセリン、およ
びこれらのエステル誘導体やエーテル誘導体を挙げるこ
とができる。これらの化合物は、主鎖の炭素数が２〜６
の範囲にある化合物であり、単一の化合物を用いても、
また複数の化合物を組み合わせて用いても良い。一方、
第２の多価アルコール系化合物としてはプロピレングリ
コール、およびそのエステル誘導体やエーテル誘導体を
挙げることができる。これらの化合物は、主鎖の炭素数
がおおよそ２〜６の範囲にある化合物であり、単一の化
合物を用いても、また複数の化合物を組み合わせて用い
ても良い。上記の化合物はいずれも無臭であり、人体に
もほぼ無害である。また、分子量が比較的小さく生分解
性に優れているため、通常の汚水処理設備で用いられて
いる活性汚泥でも十分に分解することができる。したが
って、焼却処理を要したり、これに伴って二酸化炭素を
発生する懸念がない。さらに、上記の第２の多価アルコ
ール系化合物は、ポリエチレングリコールのようなポリ
マーであっても良い。ただし、ポリマーを使用する場合
は室温で液状であることが必要であり、たとえばポリエ
チレングリコールについては重合度ｎ＝２００〜４００
のものを使用することができる。しかし、活性汚泥や活
性炭吸着による排水処理はむずかしい。

【００２６】本発明の水性切削液では、分散媒中におけ
る水の含有量を５重量％以上、５０重量％未満とするこ
とが特に好ましい（請求項２）。これは換言すると、分
散媒中における第１の多価アルコール系化合物と第２の
多価アルコール系化合物の含有量の合計が５０重量％以
上、９５重量％未満の範囲であることを意味している。
水の含有量が５重量％よりも少ない場合には、分散媒が
ゼリー化したり、あるいは十分な非引火性や冷却性能を
与えることができないといった間題が生ずる。一方、水
の含有量が５０重量％よりも多い場合には珪酸コロイド
粒子がすべてイオン化・凝集してしまい、水性切削液中
の砥粒の分散性を著しく低下させてしまう。つまり水の
含有量は、珪酸コロイド粒子を完全にイオン化させるに
は不足であるが、珪酸のゲル化を防止するには十分とな
るように選択する必要がある。より好ましい水の含有量
の範囲は、１０重量％以上、４０重量％未満である。

【００２７】本発明の水性組成物中における珪酸塩の含
有量は、おおよそ０．１重量％以上、１０．０重量％以
下とすることが好ましい（請求項６）。０．１重量％よ
りも少ないと十分な量の珪酸コロイド粒子が生成せず、
１０．０重量％を越えると遊離の珪酸同士の重合により
水性組成物がゼリー化し易くなってしまう。

【００２８】また、本発明の水性組成物にはｐＨ調整剤
としてカルボン酸またはその誘導体を添加することも好
ましい（請求項３）。上記カルボン酸としては、キレー
ト作用を有し、かっ生分解性の高いものが好適であり、
乳酸、クエン酸、グルコン酸、リンゴ酸を例示すること
ができる。またカルボン酸の誘導体としては、典型的に
アルカリ金属塩を用いることができる。好ましいｐＨ調
整範囲は５．０〜１２．０である（請求項３）。５．０
より低い場合には生成された珪酸コロイドの安定な分散
性が得られなくなり、１２．０より高い場合には珪酸コ
ロイドが可溶化してコロイド状態を維持できなくなる。
いずれにしても、砥粒の分散性が損なわれ、また沈降物
のハードケーキ化を防止することが困難となる。さら
に、本発明の水性組成物には必要に応じて油脂、脂肪
酸、あるいはエステルを潤滑剤として添加してもよい。
このときの潤滑剤の添加量は、概ね３０．０重量％まで
とする。さらに、潤滑剤による潤滑効果を高めるために
界面活性剤をおおよそ１５重量％までの範囲で添加して
もよい。

【００２９】かかる本発明の水性切削液を製造するには
まず、水と、第１の多価アルコール系化合物と、珪酸塩
とを混合した第１液を調製する。第１液中では、前述の
式（ｉ）に示したように、第１の多価アルコール系化合
物の触媒作用により珪酸塩から珪酸が生成される。次
に、この第１液と、第２の多価アルコール系化合物を主
体とする第２液とを混合することにより水性組成物を得
る。

【００３０】上記の水性組成物に砥粒を添加すれば、砥
粒が珪酸コロイドと共に安定に分散された水性切削液を
製造することができる。砥粒は、水性組成物に対して重
量比で等倍〜１．５倍程度の範囲で添加される。砥粒
は、鋼玉砂、エメリー、石英砂、黒色炭化珪素、緑色炭
化珪素等、公知のものを用途に応じて選択する。半導体
インゴットの切断には、緑色炭化珪素が特に適してい
る。

【００３１】本発明の水性切削液は、被加工体と切削手
段とを水性切削液の存在下で動的に接触させることによ
り該被加工体を切削する切削方法に広く適用することが
できる。特に、ワイヤソーあるいはバンドソー等の切削
手段を用いて半導体インゴットの切削に本発明の水性切
削液を使用した場合には、高精度な切断を容易に行うこ
とが可能となる（請求項８）。ただし、切削手段は特に
限られるものではなく、たとえば上記ワイヤソーやバン
ドソーを多重化したマルチワイヤソーやマルチバンドソ
ー等、遊離砥粒を使用したいかなる切削手段であっても
構わない。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。実施例１本実施例では、本発明の水性組成物の調製例について説
明する。まず、下記の第１液と第２液とを準備した。＜第１液＞精製水７５．０重量％エチレングリコール８．５重量％珪酸カリウム１６．５重量％＜第２液＞プロピレングリコール１００重量％上記第１液中には、遊離の珪酸が生成している。

【００３３】次に、２５℃で第２液７５．０重量％に対
して第１液２４．０重量％を添加した。この過程では、
第２の多価アルコール系化合物であるプロピレングリコ
ールの存在と相対的な水分量の低下によって、第１液中
に生成していた遊離の珪酸がコロイド粒子を形成し、安
定に分散された状態となった。この後、ｐＨ調整用のカ
ルボン酸としてクエン酸を１．０重量％添加し、ｐＨを
６．５に調整して水性組成物を得た。得られた水性組成
物は無臭であった。上記水性組成物の最終的な水分含有
量は１８．０重量％であり、非引火性（１２３℃で沸
騰）であった。その他の主な性質は、粘度＝１７．５ｍ
Ｐａ・ｓ（東京計器（株）製、Ｂ型粘度計使用）、比重
＝１．０４９、表面張力＝３５．９ｍＮ／ｍ，１％水溶
液のＣＯＤ（化学的酸素要求量）＝６７００ｍｇ／リッ
トル、摩擦係数＝０．１１０であった。この水性組成物
は、このままでもたとえば内周刃装置や外周刃装置等に
よる切削用の冷却剤として使用することが可能である。

【００３４】実施例２ここでは、上記の水性組成物に砥粒を添加して水性切削
液を調製し、その基本的な性質について検討した。ま
ず、実施例１で上述した第１液と第２液の混合比率を変
えることにより、水分含有量が１３〜４８重量％の８種
類の水性組成物を調製した。次に、これら水性組成物の
各々に対し、粒径の異なる３種類の緑色炭化珪素砥粒、
すなわちＧＣ＃600 （平均粒径２０．０±１．５μ
ｍ）、ＧＣ＃800 （平均粒径１４．０±１．０μｍ）、
およびＧＣ＃1000（平均粒径１１．５±１．０μｍ）
（いずれもＪＩＳ名称）を水性組成物と等重量にて混合
し、水性切削液を調製した。これらの水性切削液はいず
れも無臭、非引火性であった。

【００３５】上記の水性切削液における砥粒の沈降速度
は、水分含有量が少ないものほど遅く、逆に水分含有量
の多いものほど速かったが、いずれも沈降・堆積した後
の砥粒はハードケーキ化を生じなかった。ここで室温に
て静置８時間後の切削液の液面の高さに対して砥粒の沈
殿層の表面の高さが９０％以上となるものを不沈降タイ
プ、静置２４時間後の切削液の液面の高さに対して沈殿
層の表面の高さが６０％以下となるものを沈降タイプと
定義すると、本発明の水性切削液はこれら不沈降タイプ
と沈降タイプの中間的な特性を備えることが好ましい。
かかる中間的な特性を得るには、水性切削液の水分含有
量を３０重量％以下とすればよいことがわかった。かか
る水性切削液は、静置８時間後の液面の高さに対する砥
粒の沈殿層の表面の高さの割合が８０〜９０％、静置２
４時間後の割合が６５〜７５％であった。

【００３６】分散媒である水性組成物が低粘度であるに
もかかわらず、本発明の水性切削液が従来の沈降タイプ
よりも長時間、砥粒の分散状態を維持できるのは、砥粒
が分散媒中で陰イオン性を示し、一方の珪酸コロイド粒
子も粒子表面が陰イオンの電荷の雲（電気二重層）に取
り囲まれた状態で分散媒中に浮遊しているからである。
この分散系の状態を、図１に示す。この系において、砥
粒Ｇを取り囲む陰イオンの電荷同士の間、分散媒Ｍ中に
浮遊している珪酸コロイド粒子Ｐ同士の間、砥粒Ｇと珪
酸コロイド粒子Ｐとの間に、分散媒Ｍ中にイオン解離し
た陰イオンの介在もあってそれぞれ同電荷による反発力
（ゼータ電位）が働き、砥粒Ｇの分散が促進されてい
る。この電荷反発力は、沈殿物中でも維持されている。
すなわち図２に示されるように、隣接する珪酸コロイド
粒子Ｐ同士はその表面の電荷密度が大きいために大きな
反発力を示し、常に一定の距離を保とうとする。また、
この電荷反発力は流動、振動といった物理的刺激作用に
より再現性、持続力が顕著となり、沈殿物中の珪酸コロ
イド粒子Ｐにより一種の空間的なマトリクス構造が形成
される。砥粒Ｇは、このマトリクスの中に取り込まれた
状態で点在する。

【００３７】しかし、本発明の水性切削液は従来の不沈
降タイプよりは速やかに沈殿を生ずるので、実用上は自
然沈降法による固液分離を経て砥粒を再利用することが
可能である。したがって、固液分離のための装置構成も
簡単で済むメリットがある。しかも、上記水性切削液を
静置した結果得られる沈殿物においては、図２に示され
るように、個々の砥粒Ｇの間に珪酸コロイド粒子Ｐのマ
トリクスが介在されるため砥粒Ｇ同士が密着せず、ハー
ドケーキ化のおそれがない。実際、前述の水性切削液を
室温にて７日間放置した後であっても、沈殿物は容易に
再分散させることができた。ちなみに、従来の切削液で
は砥粒分散性に優れるものほど沈殿物のハードケーキ化
が顕著に進行し、しかも自然沈降法では砥粒を容易に回
収できないためにやむを得ず行っている遠心分離が、沈
殿物をますます強固に凝結させるという悪循環を招いて
いた。

【００３８】次に、得られた各水性切削液の粘度を、２
種類の粘度計（東京計器（株）製Ｂ型粘度計、およびリ
オン（株）製ＶＴ０４型粘度計）を用いてそれぞれ測定
した。Ｂ型粘度計は被測定液中で円盤型ロータ、ＶＴ０
４型粘度計は円筒型ロータをそれぞれ回転させ、これら
ロータに加わる応力の測定から被測定液の粘度を求める
ものであり、ロータの回転半径、ロータの形状、回転数
の違いにより両者の測定可能範囲と精度が若千異なる。
Ｂ型粘度計による測定結果を図３、ＶＴ０４型粘度計に
よる測定結果を図４にそれぞれ示す。これらの図の横軸
は、水性組成物中の水分含有量（重量％）と「標準品」
に対する増減量（重量％）との２通りで表示した。ここ
で「標準品」とは、実施例１で調製された水性組成物
（水分含有量＝１８．０重量％）を指す。縦軸は粘度
（ｍＰａ・ｓ）を表す。また、実線はＧＣ＃1000、一点
鎖線はＧＣ＃800 、破線はＧＣ＃600 をそれぞれ含む水
性切削液の測定結果を表す。

【００３９】これらの図より、本発明の水性切削液は全
体傾向としていずれも水分量の増加に伴う粘度低下を示
すものの、広い水分量範囲にわたって実用的な粘度を維
持し得ることがわかった。特に、上述のような平均粒径
がおおよそ２０〜１０μｍ程度の砥粒を用いた場合、水
分量が３５重量％もの広範囲で変化しても、最高時の１
／３〜１／４程度の粘度を維持することができた。ＧＣ
＃1000のように粒径の比較的小さい砥粒を用いた場合に
も上述のような粘度安定性が得られることは、たとえば
半導体インゴットの切断において実用上極めて有利であ
る。粒径の小さい砥粒を用いた場合、大きい砥粒に比べ
て切断速度は遅くなるが、被加工物の切代（きりしろ）
を減少させることができるので、半導体インゴットのよ
うな高価な材料の切断には小さい砥粒が適している。し
たがって、小さい砥粒を含む水性切削液の粘度安定性が
向上することは、加工品質の向上と安定化、および経済
性の向上に寄与する。また、切削液の交換頻度の低減に
もつながる。

【００４０】また、本発明の水性切削液が水分量変化に
よる粘度変化を起こしにくいことは、切削装置の水洗を
可能とする意味でも有利である。従来、たとえば非水性
切削液を用いてワイヤソーで半導体インゴットを切断す
る場合は、非水性切削液への水分混入による粘度の急激
な上昇を避けるために、ウェーハやインゴット取付けべ
ースの洗浄作業はワイヤソーの装置本体の外で行わなけ
ればならなかった。しかし、本発明の水性切削液を用い
れば、切削液に多少の水分が混入しても粘度がほぼ安定
に維持されるので、洗浄作業をワイヤソーの装置内で行
うことが可能となり、作業効率を大幅に改善し、また設
備の占有面積を削減することができる。

【００４１】実施例３ここでは、本発明の水性切削液に切削屑のモデルとして
シリコン粉を混入させた場合の粘度の変化について調べ
た。使用した水性切削液は、粒径の異なる３種類の砥粒
ＧＣ＃600 、ＧＣ＃800 、およびＧＣ＃1000をそれぞれ
含む「標準品」の水性組成物に、０〜３０重量％の割合
でシリコン粉を混入させたものである。このシリコン粉
は、通常のシリコンウェーハを粉砕して２００メッシュ
のステンレス・フィルターを透週させたもので、粒度は
７５μｍ以下である。

【００４２】Ｂ型粘度計による測定結果を図５、ＶＴ０
４型粘度計による測定結果を図６にそれぞれ示す。これ
らの図の横軸はシリコン粉混入量（重量％）、縦軸は粘
度（ｍＰａ・ｓ）を表す。また、実線はＧＣ＃1000、一
点鎖線はＧＣ＃800 、破線はＧＣ＃600 をそれぞれ含む
水性切削液の測定結果を表す。従来の非水性切削液は一
般に、被加工物の切削屑が３〜４重量％も混入すると１
５０〜２００％くらいの大幅な増粘を生じていたが、本
発明の水性切削液は混入量１０〜１５重量％程度までは
粘度の上昇が７０〜１３０％程度に抑えられ、実用上間
題なく使用できることがわかった。なお、切削屑の混入
により増粘した水性切削液については、精製水を添加し
て再びその粘度を低下させることができる。

【００４３】実施例４ここでは、ワイヤソーと本発明の水性切削液を用いて実
際にシリコンインゴットを切断し、その切断品質を評価
した。まず、下記の水性切削液Ａを調製した。＜水性切削液Ａ＞分散媒：実施例１で調製した水性組成物砥粒：ＧＣ＃600 ，分散媒と等重量比重：１．５〜１．６粘度：７０±１０ｍＰａ・ｓ

【００４４】次に、上記の水性切削液Ａを用い、直径８
インチ、長さ３００ｍｍのシリコンインゴットを切断し
てウェーハを作成した。このときの加工条件Ａは下記の
とおりである。＜加工条件Ａ＞ワイヤ：ピアノ線，直径１８０μｍワイヤ平均線速：５００ｍ／分平均切断速度：５００μｍ／分切削液の供給量：６０〜１００リットル／分ウェーハの厚さ：８６０μｍ切代：２４０μｍピッチ：１１００μｍ切断枚数：２７２枚／インゴット

【００４５】得られたウェーハについて、反り、ウェー
ハ中心における厚さのばらつき、およびテーパーを評価
した。ここで「反り」とは、ウェーハを吸着固定しない
状態で最小二乗法で算出された基準平面からプラス側と
マイナス側の双方に生じた最大変位量の絶対値の和とし
て定義される量（μｍ）である。また、「テーパー」と
は、オリエンテーション・フラット部から６ｍｍ内側の
１地点、ウェーハのエッジから６ｍｍ内側において先の
１地点から中心角９０°ずつ隔てた３地点、およびウェ
ーハ中心点の計５点におけるウェーハ厚みの最大値と最
小値の差として定義される量（μｍ）である。結果を表
１にまとめた。

【００４６】

【表１】

【００４７】実施例５ここでは、実施例４の水性切削液Ａに代えて、砥粒の粒
径をより小さくした水性切削液Ｂを用いた他は、同様に
シリコンインゴットを切断した。水性切削液Ｂの仕様は
下記のとおりである。＜水性切削液Ｂ＞分散媒：実施例１で調製した水性組成物砥粒：ＧＣ＃800 ，分散媒と等重量比重：１．５〜１．６粘度：８０±１０ｍＰａ・ｓ

【００４８】加工条件Ｂは下記のとおりである。＜加工条件Ｂ＞ワイヤ：ピアノ線，直径１６０μｍワイヤ平均線速：５００ｍ／分平均切断速度：４００μｍ／分切削液の供給量：６０〜Ｉ００リットル／分ウェーハの厚さ：８６０μｍ切代：２０２μｍピッチ：１０６２μｍ切断枚数：２８２枚／インゴット得られたウェーハの切断品質については、前掲の表１に
まとめた。

【００４９】比較例１上述の実施例４に対する比較として、水性切削液Ａの代
わりに下記の非水性切削液Ａを用い、加工条件Ａにした
がってシリコン・インゴットを切断した。＜非水性切削液Ａ＞分散媒：鉱物油９８重量％分散剤および界面活性剤２重量％砥粒：ＧＣ＃600 ，分散媒と等重量比重：１．５〜１．６粘度：１５０±５０ｍＰａ・ｓ得られたウェーハの切断品質については、前掲の表１に
まとめた。

【００５０】比較例２上述の実施例５に対する比較として、水性切削液Ｂの代
わりに下記の非水性切削液Ｂを用いた他は同様の加工条
件でシリコン・インゴットを切断した。＜非水性切削液Ｂ＞分散媒：非水性切削液Ａに同じ砥粒：ＧＣ＃800 ，分散媒と等重量比重：１．５〜１．６粘度：２００±５０ｍＰａ・ｓ得られたウェーハの切断品質については、前掲の表１に
まとめた。

【００５１】以上、実施例４，５、比較例１，２の結果
をみると、反り、厚さのばらつき、テーパーのいずれの
項目においても、実施例において比較例よりも安定した
性能が得られていることが明らかである。これは、比較
例１，２の非水性切削液に比べて実施例４，５の水性切
削液の方が、シリコン切削屑の混入による増粘が少なか
ったためである。また、実施例４，５においては、洗浄
水用の配管をワイヤソーの装置本体内に設置し、切断直
後のウェーハやインゴット取付べースの水洗を装置内で
行うことができた。これは、水分の混入による減粘の度
合いが、本発明の水性切削液では少ないからである。こ
のようにして、実施例４，５では切削液の交換頻度を従
来の１／４〜１／５に減らすことができた。これに対
し、比較例１，２では切断後のウェーハを装置外にて有
機溶媒またはアルカリ溶液を用いて洗浄する必要があっ
た。また、作業環境にはオイル臭があった。

【００５２】以上、本発明を５例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、水性組成物の構成成分や各成分の含量
比、水性切削液の構成成分や各成分の含量比、被加工物
の種類、加工条件等の細部については、適宜変更、選
択、組合せが可能である。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の水性切削液を構成する水性組成物は比較的低粘度で
ありながら高い分散性をもって珪酸コロイド粒子を分散
させたものである。この水性組成物は水性であるがゆえ
に引火性を示さず、また含有されている第１、第２の多
価アルコール系化合物も無臭で分子量の比較的低い、生
分解性に優れるものであるため、作業環境を悪化させ
ず、また廃棄に際しても地球環境にインパクトを与えな
い。かかる水性組成物に砥粒を分散させた本発明の水性
切削液は、元来が低粘度であるために、水分や切削屑の
混入による粘度変化が緩やかであり、切削液として長寿
命である。また、自然沈降法による砥粒の回収が可能で
あり、しかも経時的に砥粒の沈殿層が形成されても珪酸
コロイド粒子の介在により沈殿層のハードケーキ化が防
止されるので、沈殿した砥粒を容易に再分散させること
ができる。このことは、省資源化やメンテナンス費用低
減の観点から極めて好ましい。

【００５４】本発明の水性切削液の製造方法では、水
と、第１の多価アルコール系化合物と、珪酸塩とを混合
し、珪酸を生成させた第１液を調製し、これを第２の多
価アルコール系化合物を主体とする第２液と混合するこ
とにより、上記珪酸をコロイドとして安定化させた水性
組成物を調製する。そして、この水性組成物に砥粒を混
合分散させることにより水性切削液を得る。したがっ
て、本発明の水性切削液は、何ら特殊で大規模な装置を
必要とせずに容易に製造することができる。さらに、か
かる水性切削液を使用する本発明の切削方法によれば、
該水性切削液の交換頻度を下げながらも安定した加工品
質をもって切削を行うことができ、切削加工の経済性、
信頼性、環境保全性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水性切削液における砥粒の分散状態を
説明する模式図である。

【図２】本発明の水性切削液における砥粒の沈降状態を
説明する模式図である。

【図３】水性組成物中の水分含有量が水性切削液の粘度
に及ぼす影響をＢ型粘度計による測定値にもとづいて示
すグラフである。

【図４】水性組成物中の水分含有量が水性切削液の粘度
に及ぼす影響をＶＴ０４型粘度計による測定値にもとづ
いて示すグラフである。

【図５】シリコン粉の混入量が水性切削液の粘度に及ぼ
す影響をＢ型粘度計による測定値にもとづいて示すグラ
フである。

【図６】シリコン粉の混入量が水性切削液の粘度に及ぼ
す影響をＶＴ０４型粘度計による測定値にもとづいて示
すグラフである。

【符号の説明】

Ｇ…砥粒Ｐ…珪酸コロイド粒子Ｍ…分散媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ１０Ｍ 105:18 Ｃ１０Ｍ 105:18 105:38 105:38 107:34 107:34 125:26） 125:26）Ｃ１０Ｎ 30:04 Ｃ１０Ｎ 30:04 40:22 40:22 (72)発明者芦田昭雄東京都墨田区八広２丁目17番10号大智化学産業株式会社内 (72)発明者木内悦男群馬県群馬郡群馬町足門762番地三益半導体工業株式会社内 (56)参考文献特開平10−259396（ＪＰ，Ａ) 特開平10−324889（ＪＰ，Ａ) 特開平９−59666（ＪＰ，Ａ) 特開平３−181598（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C10M 173/00 - 173/02 C10M 103/06 C10M 105/14 C10M 105/18 C10M 105/38 C10M 107/34 C10M 125/26 C10M 129/08 C10M 129/16 C10M 129/74 C10M 145/26 - 145/38 C10N 30:04 C10N 40:22 B28D 5/04 H01L 21/304

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（１）エチレングリコール、エチレング
リコールのエステル誘導体、エチレングリコールのエー
テル誘導体、グリセリン、グリセリンのエステル誘導体
およびグリセリンのエーテル誘導体（ただし炭素数は２
〜６である。）からなる群より任意に選ばれた少なくと
も一種の化合物である第１の多価アルコール系化合物
と、（２）プロピレングリコール、プロピレングリコー
ルのエステル誘導体、プロピレングリコールのエーテル
誘導体およびポリエチレングリコール（ただし炭素数は
２〜６である。）からなる群より任意に選ばれた少なく
とも一種の化合物である第２の多価アルコール系化合物
と、（３）水とを含む分散媒中に、砥粒が珪酸コロイド
粒子と共に分散されてなることを特徴とする水性切削
液。
【請求項２】前記分散媒中における水の含有量が５重
量％以上、５０重量％未満であることを特徴とする請求
項１記載の水性切削液。
【請求項３】前記分散媒中にｐＨ調整剤としてカルボ
ン酸、その誘導体の少なくとも一方が含まれ、前記分散
媒のｐＨが５．０以上、１２．０以下に調整されている
ことを特徴とする請求項１記載の水性切削液。
【請求項４】前記分散媒は、前記第２の多価アルコー
ル系化合物の含有量が、前記第１の多価アルコール系化
合物の含有量の約２．５倍〜２０．０倍であることを特
徴とする請求項１〜３のいずれか記載の水性切削液。
【請求項５】エチレングリコール、エチレングリコー
ルのエステル誘導体、エチレングリコールのエーテル誘
導体、グリセリン、グリセリンのエステル誘導体および
グリセリンのエーテル誘導体（ただし炭素数は２〜６で
ある。）からなる群より任意に選ばれた少なくとも一種
の化合物である第１の多価アルコール系化合物と、水
と、珪酸塩とを混合して珪酸を生成させた第１液を調製
する工程と、前記第１液と、プロピレングリコール、プロピレングリ
コールのエステル誘導体、プロピレングリコールのエー
テル誘導体およびポリエチレングリコール（ただし炭素
数は２〜６である。）からなる群より任意に選ばれた少
なくとも一種の化合物である第２の多価アルコール系化
合物を主体とする第２液とを混合して前記珪酸をコロイ
ド粒子として安定化させた水性組成物を得る工程と、前記水性組成物に砥粒を混合分散させる工程とを有する
ことを特徴とする水性切削液の製造方法。
【請求項６】前記水性組成物中における珪酸塩の含有
量は、０．１重量％以上、１０．０重量％以下とするこ
とを特徴とする請求項５記載の水性切削液の製造方法。
【請求項７】被加工体と切削手段とを水性切削液の存
在下で動的に接触させることにより該被加工体を切削す
る切削方法であって、前記水性切削液として、請求項１〜４のいずれか記載の
水性切削液を用いることを特徴とする切削方法。
【請求項８】前記被加工体として半導体インゴットを
切削することを特徴とする請求項７記載の切削方法。