JP2008018478A - Bar-like material cutting method and cutting device using it - Google Patents

Bar-like material cutting method and cutting device using it Download PDF

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健治 山脇
Yoshihiro Nagai
芳弘 永易
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Osaka Titanium Technologies Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cutting method which restrains the occurrence of cracks, improves cutting efficiency, and also improves yield and metal contamination in cutting a workpiece having internal stress. <P>SOLUTION: In the method for cutting a bar-like workpiece having an internal stress using a mechanical cutting means, while the workpiece is rotated around the axial section vertical to the longitudinal direction of the workpiece in the range equal to or larger than 100° and under 360°, the bar-like material is cut. A cutting device uses the above cutting method. In the cutting method, a fixed abrasive grain wire saw is used as a cutting means, while as a workpiece, a bar-like polysilicon manufactured by the Siemens method is used, and preferably load of 3-10 kgf per wire is applied to the fixed abrasive grain wire saw. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、内部応力を有する棒状材の切断方法およびそれを用いた切断装置に関し、さらに詳しくは、半導体用単結晶シリコンの製造に用いられるチョクラルスキー法(以下、「CZ法」と表記する。)において、その製造原料として使用することができる多結晶シリコンをその切断面にクラックを生じさせることなく、棒状の被加工材から効率的に切断できる切断方法および切断装置に関する。   The present invention relates to a method of cutting a rod-shaped material having internal stress and a cutting apparatus using the same, and more specifically, the Czochralski method (hereinafter referred to as “CZ method”) used for manufacturing single crystal silicon for semiconductors. )), A cutting method and apparatus capable of efficiently cutting polycrystalline silicon that can be used as a raw material for production from a rod-shaped workpiece without causing cracks in the cut surface.

半導体用単結晶シリコンの製造には、CZ法による回転引上げ法が多用されている。このCZ法は、るつぼ内で多結晶シリコンを溶融し、その融液にシリコンの種結晶を浸漬し、種結晶を回転させながら引上げることによって、半導体デバイスの素材として使用される単結晶を育成する方法である。   In the production of single crystal silicon for semiconductors, the rotational pulling method by the CZ method is frequently used. In this CZ method, polycrystalline silicon is melted in a crucible, a seed crystal of silicon is immersed in the melt, and the seed crystal is pulled while rotating to grow a single crystal used as a material for a semiconductor device. It is a method to do.

上記CZ法の溶融原料となる多結晶シリコンは、主にシーメンス法により製造された棒状の多結晶シリコンが用いられ、切断機を用いて適当な大きさに切断すること、または塊状に破砕することによって製造原料とされる。   The polycrystalline silicon used as the melting material of the CZ method is mainly rod-shaped polycrystalline silicon produced by the Siemens method, and is cut into an appropriate size using a cutting machine or crushed into a lump. According to the manufacturing raw material.

シーメンス法とは、高純度のシリコンシードに通電加熱し、そのシード表面にシラン系ガスと水素を反応させ、気相成長によって、多結晶シリコンを成長させる方法である。このシーメンス法によって製造した多結晶シリコンは、CZ法の製造原料として機械的に切断する際に、多結晶シリコン内に残存している内部応力が問題になる。   The Siemens method is a method in which high-purity silicon seeds are energized and heated, silane-based gas and hydrogen are reacted on the seed surface, and polycrystalline silicon is grown by vapor phase growth. When polycrystalline silicon produced by the Siemens method is mechanically cut as a raw material for the CZ method, the internal stress remaining in the polycrystalline silicon becomes a problem.

シーメンス法で多結晶シリコンを成長させる過程では、気相成長する多結晶シリコンの表面から熱が放出されるため、成長中の多結晶は内部ほど高温となる。このため、得られた多結晶シリコンは、表面が先に冷却されて収縮し、その後に中心部が収縮していくという冷却形態をとり、棒状材の内部に引張り応力が生じ、棒状材の表面側に圧縮応力が残留する内部応力が生じる。   In the process of growing polycrystalline silicon by the Siemens method, heat is released from the surface of the vapor-grown polycrystalline silicon, so that the growing polycrystalline material has a higher temperature inside. For this reason, the obtained polycrystalline silicon takes a cooling form in which the surface is cooled first and contracts, and then the central portion contracts, and tensile stress is generated inside the rod-shaped material, and the surface of the rod-shaped material An internal stress in which compressive stress remains on the side is generated.

特に、シーメンス法ではシラン系ガスと水素を反応させるために高い反応温度、例えば、1000℃以上の高温を要するため、成長反応後の冷却過程において結晶の内部温度と表面温度との差が大きくなり、これにともなって結晶内に生じる内部応力も大きくなる。   In particular, in the Siemens method, a high reaction temperature, for example, a high temperature of 1000 ° C. or more is required to react the silane-based gas with hydrogen, so that the difference between the internal temperature of the crystal and the surface temperature increases during the cooling process after the growth reaction. As a result, the internal stress generated in the crystal also increases.

前述の通り、シーメンス法で得られた棒状の多結晶シリコンはCZ法の製造原料として用いられるが、多結晶シリコンを切断機で切断する際に、シリコンが高硬度の脆性材料であるのに加え、結晶内に内部応力が残存している場合に、その切断面にクラックが発生し易くなる。   As described above, rod-shaped polycrystalline silicon obtained by the Siemens method is used as a raw material for the production of the CZ method. When polycrystalline silicon is cut by a cutting machine, silicon is a brittle material with high hardness. When internal stress remains in the crystal, cracks are likely to occur on the cut surface.

多結晶シリコンの切断面にクラックが発生すると、クラック内部の汚れが切断加工後の酸洗浄によっても除去されず、その後の多結晶シリコンの品質を悪化させることになる。また、クラック内部に酸自体が残留する場合には、内部に汚染(不純物)を抱き込みながら、厚いシリコン酸化膜を生成することから、多結晶シリコンの品質をさらに悪化させることになる。   When cracks occur on the cut surface of the polycrystalline silicon, dirt inside the cracks is not removed even by acid cleaning after the cutting process, and the quality of the subsequent polycrystalline silicon is deteriorated. Further, when the acid itself remains inside the crack, a thick silicon oxide film is generated while embracing contamination (impurities) inside the crack, which further deteriorates the quality of the polycrystalline silicon.

また、シーメンス法においては、生産効率を向上させるために、大型化した反応炉を用いて大量の多結晶シリコンを製造している。ところが、シーメンス法におけるシラン系ガスと水素の反応速度は雰囲気温度に依存するため、反応炉の大型化にともない炉内の温度分布条件およびガス供給条件に変動が生じると、多結晶シリコンの成長速度(析出)もそれらの条件によって変化する。   In the Siemens method, in order to improve production efficiency, a large amount of polycrystalline silicon is produced using a large-sized reactor. However, since the reaction rate of silane gas and hydrogen in the Siemens method depends on the ambient temperature, if the temperature distribution conditions and gas supply conditions in the furnace change as the reactor size increases, the growth rate of polycrystalline silicon (Precipitation) also varies depending on these conditions.

例えば、反応炉内に温度が低い部分が生じた場合は、その低温部分におけるシリコン結晶の成長が阻害されることから、棒状の多結晶シリコンに細りが生じ、成長後の多結晶シリコンの形状に楕円や湾曲を生じることがある。また、反応炉内にガス供給量が少ない部分が生じた場合にも、多結晶シリコン結晶の成長が不十分となり、楕円や湾曲を生じることがある。   For example, if a low temperature part occurs in the reactor, the growth of the silicon crystal at the low temperature part is hindered, resulting in thinning of the rod-like polycrystalline silicon, resulting in a polycrystalline silicon shape after growth. May cause ellipses and curves. In addition, even when a portion with a small gas supply amount is generated in the reaction furnace, the growth of the polycrystalline silicon crystal becomes insufficient, which may cause an ellipse or a curve.

したがって、反応炉が大型化されることによって、反応炉内の温度分布が不均一になり、またガス供給を均一かつ安定して行い難くなると、シーメンス法による成長後の多結晶シリコンの形状に楕円や湾曲を生じたり、さらにはポップコーンと称される結晶表面に凹凸が生じ易くなる。   Therefore, when the reaction furnace is enlarged, the temperature distribution in the reaction furnace becomes non-uniform, and when it becomes difficult to supply gas uniformly and stably, the shape of the polycrystalline silicon grown by the Siemens method is elliptical. Or bend, and unevenness tends to occur on the crystal surface called popcorn.

このように多結晶シリコンに楕円や湾曲、さらにポップコーンが生じるようになると、得られた多結晶シリコンを切断する際に問題が生じる。通常、棒状の多結晶シリコンは、内部応力を緩和させるため回転させながら切断しているが、多結晶シリコンの形状が正円筒ではなく、楕円、湾曲、さらに表面に凹凸形状が生じるようになると、被加工材に偏芯や回転にともなう切断刃の位置ずれが発生し、安定した切断が困難になる。   Thus, when an elliptical shape, a curved shape, and popcorn are generated in the polycrystalline silicon, a problem occurs when the obtained polycrystalline silicon is cut. Normally, rod-shaped polycrystalline silicon is cut while rotating to relieve internal stress, but when the shape of polycrystalline silicon is not a regular cylinder, but an ellipse, a curve, and an uneven shape on the surface, The work blade is displaced or displaced due to rotation, and stable cutting becomes difficult.

このため、従来から、切断面にクラックを発生させることなく、安定して多結晶シリコンを切断することができる切断方法に関して種々検討されている。例えば、特許文献1には、回転駆動装置を用いて棒状多結晶シリコンを回転させ、かつ、切断部近傍を流体圧シリンダー機構およびローラを用いて支持することにより、振動を抑制しながら切断する装置が開示されている。この切断装置によれば、多結晶シリコンに割れ等が生じることなく、高効率で切断することができるとしている。   For this reason, conventionally, various studies have been made on cutting methods capable of stably cutting polycrystalline silicon without generating cracks on the cut surface. For example, Patent Document 1 discloses an apparatus for cutting while suppressing vibration by rotating rod-shaped polycrystalline silicon using a rotary drive device and supporting the vicinity of the cutting portion using a fluid pressure cylinder mechanism and a roller. Is disclosed. According to this cutting device, the polycrystalline silicon can be cut with high efficiency without causing cracks or the like.

しかし、開示された切断装置は、その構造が非常に複雑であり多額の設備費を要し、棒状の多結晶シリコンの切断に要するコストが大幅に増加する。また、上記装置における切断には、外周刃が用いられるため、多結晶シリコンを切断する際に、金属刃が棒状の多結晶シリコンに直接接触するおそれがあることから、切断面における金属汚染の問題もある。   However, the disclosed cutting apparatus has a very complicated structure and requires a large amount of equipment costs, and the cost required for cutting rod-shaped polycrystalline silicon is greatly increased. In addition, since an outer peripheral blade is used for cutting in the above apparatus, when cutting polycrystalline silicon, the metal blade may come into direct contact with the rod-shaped polycrystalline silicon. There is also.

また、特許文献2には、揺動自在なアームに固定砥粒付きのエンドレスワイヤーを取り付け、さらに被切断材が揺動可能であることを特徴とする固定砥粒付きエンドレスワイヤーソーが開示されている。   Further, Patent Document 2 discloses an endless wire saw with fixed abrasive, wherein an endless wire with fixed abrasive is attached to a swingable arm, and a material to be cut is swingable. Yes.

しかし、特許文献2で開示されるワイヤーソーは、装置のコンパクト化を図るため、被切断材の位置を変えずワイヤーアームの一端を動かして、ワイヤーを切り込み、切り込み角度に合わせて被切断材の切断部両端の切断量が一致するように、被切断材を一方向に回転させて切断する方式である。このため、揺動角度が90°以下と制限されることから、被切断材に内部応力が残存する場合には、内部応力を十分に緩和することができず、切断面にクラックが発生するという問題がある。   However, the wire saw disclosed in Patent Document 2 moves the one end of the wire arm without changing the position of the material to be cut in order to reduce the size of the device, cut the wire, and adjust the cutting angle of the material to be cut. In this method, the material to be cut is rotated in one direction so that the cut amounts at both ends of the cut portion coincide. For this reason, since the swing angle is limited to 90 ° or less, when internal stress remains in the material to be cut, the internal stress cannot be sufficiently relaxed, and a crack is generated on the cut surface. There's a problem.

特開2003−320520号公報JP 2003-320520 A 特開平11−188602号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-188602

前述の通り、多結晶シリコンを棒状結晶から切り出してCZ法における製造原料として使用する場合には、製造される単結晶シリコンの品質を確保するため、切断面に発生するクラックを防止する必要がある。さらに、切断条件を適切に管理することによって切断速度を向上させるとともに、切断の際の切断ロスを低減し、生産効率を向上させるのが望ましい。   As described above, when polycrystalline silicon is cut out from a rod-like crystal and used as a production raw material in the CZ method, it is necessary to prevent cracks generated on the cut surface in order to ensure the quality of the produced single crystal silicon. . Furthermore, it is desirable to improve cutting efficiency by appropriately managing cutting conditions, to reduce cutting loss during cutting, and to improve production efficiency.

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、多結晶シリコンの切断に際し、その結晶内に残存する内部応力を緩和させることによって、その切断面におけるクラックの発生を抑制し、さらに切断時に負荷される荷重を管理することによって切断能率を向上させ、しかも切断歩留まりや金属汚染も改善できる、生産効率に優れた棒状材の切断方法、およびそれを用いた切断装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described situation, and at the time of cutting polycrystalline silicon, by reducing the internal stress remaining in the crystal, the generation of cracks in the cut surface is suppressed, and further cutting is performed. An object of the present invention is to provide a cutting method of a rod-shaped material excellent in production efficiency and a cutting apparatus using the same, which can improve the cutting efficiency by managing the load that is sometimes applied, and can also improve the cutting yield and metal contamination. It is said.

本発明者らは、上記課題を解決するため、多結晶シリコンの切断方法に関し種々の検討を行った。その結果、内部応力を有する棒状の被加工材を切断する場合であっても、その被加工材を適正な範囲で回転または反転を繰り返し、正逆方向に回転させる回動運動を行いながら切断することによって、内部応力の切断面への集中を緩和でき、クラックの発生を抑制できるとともに、楕円や湾曲、さらに表面に凹凸形状が生じた被加工材を対象にしても、切断刃に位置ずれが生ずることなく、安定した切断が可能であることを明らかにした。   In order to solve the above problems, the present inventors have made various studies on a method for cutting polycrystalline silicon. As a result, even when a rod-shaped workpiece having internal stress is cut, the workpiece is repeatedly rotated or reversed within an appropriate range, and is cut while performing a rotating motion that rotates in the forward and reverse directions. As a result, the concentration of internal stress on the cut surface can be alleviated, cracks can be suppressed, and the cutting blade can be misaligned even for workpieces with ellipses, curves, and uneven surfaces. It was clarified that stable cutting is possible without occurring.

また、上記棒状の被加工材を切断する際に、固定砥粒式ワイヤーソーを用いることによって、ワイヤーに負荷される荷重の調整が容易になり、負荷荷重を適切な範囲に管理することによって切断能率を向上できること、さらに、外周刃切断機に比べ切断代を少なく切断ロスを削減できること、また、金属刃が直接被加工材に接触することが回避でき、金属汚染を防止できることから、生産効率に優れる切断方法を実現できることを知見した。   In addition, when cutting the rod-shaped workpiece, it is easy to adjust the load applied to the wire by using a fixed-abrasive wire saw, and cutting by managing the load load within an appropriate range The efficiency can be improved, the cutting cost can be reduced compared to the peripheral blade cutting machine, the cutting loss can be reduced, and the metal blade can be prevented from coming into direct contact with the work material, thereby preventing metal contamination. It has been found that an excellent cutting method can be realized.

本発明は上記知見に基づいて完成されたものであり、本発明の棒状材の切断方法は、機械的な切断手段を用いて内部応力を有する棒状の被加工材を切断する方法であって、前記被加工材の長手方向に垂直な軸断面中心を回動中心として、前記被加工材を100°以上、360°未満の範囲内で回動させながら切断することを特徴としている。   The present invention has been completed based on the above findings, and the method of cutting a rod-shaped material of the present invention is a method of cutting a rod-shaped workpiece having internal stress using a mechanical cutting means, The workpiece is cut while being rotated within a range of 100 ° or more and less than 360 ° with the axial cross-sectional center perpendicular to the longitudinal direction of the workpiece as a rotation center.

本発明の棒状材の切断方法では、切断手段として固定砥粒式ワイヤーソーを用いるのが望ましい。切断能率の向上や切断ロスの削減が容易であり、金属汚染の防止も可能になり、切断効率を改善することができる。   In the rod-shaped material cutting method of the present invention, it is desirable to use a fixed abrasive wire saw as the cutting means. It is easy to improve cutting efficiency and reduce cutting loss, prevent metal contamination, and improve cutting efficiency.

本発明の棒状材の切断方法では、被加工材としてシーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンを用いることができる。内部応力が残存しやすい棒状多結晶シリコンであっても、内部応力を緩和でき、クラックの発生を抑制できることによる。   In the rod-shaped material cutting method of the present invention, rod-shaped polycrystalline silicon produced by the Siemens method can be used as a workpiece. Even if it is rod-like polycrystalline silicon in which internal stress tends to remain, the internal stress can be relaxed and the occurrence of cracks can be suppressed.

さらに、本発明の棒状材の切断方法は、前記固定砥粒式ワイヤーソーのワイヤーに対し、1本当たり3〜10kgfの荷重を加えるのが望ましい。これにより、ワイヤー切れを生ずることなく、切断速度を向上させることができる。   Furthermore, in the method for cutting a rod-shaped material of the present invention, it is desirable to apply a load of 3 to 10 kgf per wire to the wire of the fixed abrasive wire saw. Thereby, the cutting speed can be improved without causing wire breakage.

本発明の切断装置は、シーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンを固定砥粒式ワイヤーを用いてその長手方向に略垂直に切断する切断装置であって、前記棒状多結晶シリコンを回動可能な状態で保持する手段と、前記棒状多結晶シリコンを長手方向に垂直な軸断面中心を回動中心として、100°以上、360°未満の範囲で正逆方向に回転させる回動手段と、前記固定砥粒式ワイヤーソーに用いられる固定砥粒式ワイヤーを送給して前記棒状多結晶シリコンを切断する手段と、送給される前記固定砥粒式ワイヤーに荷重を負荷する手段とを備えることを特徴としている。   The cutting device of the present invention is a cutting device that cuts rod-shaped polycrystalline silicon produced by the Siemens method substantially perpendicularly to the longitudinal direction using a fixed abrasive wire, and is capable of rotating the rod-shaped polycrystalline silicon. Means for holding the rod-shaped polycrystalline silicon in a normal / reverse direction within a range of 100 ° or more and less than 360 ° with the axial cross-sectional center perpendicular to the longitudinal direction as the rotation center; A means for feeding a fixed abrasive wire used for a fixed abrasive wire saw to cut the rod-like polycrystalline silicon; and a means for applying a load to the fed fixed abrasive wire. It is characterized by.

本発明の切断装置は、上記の構成を備えることにより、本発明の切断方法を適用することが可能となり、内部応力を残存させる棒状多結晶シリコンを切断する場合であっても、その切断面に発生するクラックを抑制することができる。この場合に、切断速度を向上させるために、前記固定砥粒式ワイヤー1本当たり3〜10kgfの荷重を加えるのが望ましい。   The cutting device of the present invention has the above-described configuration, so that the cutting method of the present invention can be applied, and even when cutting rod-like polycrystalline silicon that retains internal stress, The crack which generate | occur | produces can be suppressed. In this case, in order to improve the cutting speed, it is desirable to apply a load of 3 to 10 kgf per said fixed abrasive wire.

本発明の棒状材の切断方法および切断装置によれば、内部応力を有する被加工材を切断する際に、切断面へ集中する内部応力を緩和しクラックの発生を抑制できるとともに、荷重条件を適切に管理することによって切断能率の向上が図れ、さらに切断ロスを低減し歩留まりの向上、切断面への金属汚染も抑制できる。   According to the rod-shaped material cutting method and the cutting device of the present invention, when cutting a workpiece having internal stress, the internal stress concentrated on the cut surface can be relaxed and the occurrence of cracks can be suppressed, and the load condition is appropriately set. Thus, the cutting efficiency can be improved, the cutting loss can be reduced, the yield can be improved, and the metal contamination on the cut surface can be suppressed.

本発明の棒状材の切断方法は、内部応力を有する棒状の被加工材を切断対象とし、その切断に際し、被加工材の長手方向に垂直な軸断面中心を回動中心として、被加工材を100°以上、360°未満の範囲内で回動させながら切断することを特徴としている。   The method for cutting a rod-shaped material according to the present invention is intended to cut a rod-shaped workpiece having internal stress, and at the time of cutting, the workpiece is treated with the center of the axial cross section perpendicular to the longitudinal direction of the workpiece as the center of rotation. It is characterized by cutting while rotating within a range of 100 ° or more and less than 360 °.

前述の通り、内部応力を有する被切断材の切断に際し、被切断材を回転または反転を繰り返す回動運動を行いながら切断することによって、内部応力の切断面への集中を緩和でき、クラックの発生を抑制できる。しかも、回動運動を行うことにより、楕円や湾曲、さらに表面に凹凸形状が生じた被加工材を対象にしても、切断刃に位置ずれが生ずることがなく、円滑で安定した切断を継続できる。   As described above, when cutting a material to be cut having internal stress, by cutting the material to be cut while rotating or reversing repeatedly, the concentration of internal stress on the cut surface can be alleviated and cracks are generated. Can be suppressed. In addition, by performing a rotating motion, even if the workpiece is an ellipse, a curve, or an uneven surface, the cutting blade is not displaced and smooth and stable cutting can be continued. .

内部応力を有する被切断材の切断に際し、被加工材の回動範囲が100°未満である場合には、被切断物の内部応力を十分に緩和することができず、切断面にクラックが発生することがある。一方、被加工材の回動範囲が360°以上である場合には、被加工材を回転させる場合と同様の問題が予測でき、被切断物の偏芯または湾曲等に起因して切断刃の位置ずれが生じ、安定した切断が困難になる。具体的には、切断ロスが増大したり、切断刃に損傷等が生じる場合がある。   When cutting a workpiece having internal stress, if the rotation range of the workpiece is less than 100 °, the internal stress of the workpiece cannot be relaxed sufficiently, and a crack is generated on the cut surface. There are things to do. On the other hand, when the rotation range of the workpiece is 360 ° or more, a problem similar to that in the case of rotating the workpiece can be predicted. Misalignment occurs and stable cutting becomes difficult. Specifically, the cutting loss may increase or the cutting blade may be damaged.

したがって、本発明の切断方法では、被加工材の回動範囲を100°以上、360°未満の範囲に限定した。より望ましい回動範囲は、被切断物が棒状の多結晶シリコンである場合にクラック発生を充分に防止できることから、180°以上、360°未満である。ここで、回動範囲が360°に近づくと(例えば、359°)、ワイヤーが切断部と異なる位置で切断溝に接触し、ワイヤー切れが生じることがある。したがって、ワイヤーが切断部と異なる位置において切断溝に接触することが考えられる場合は、ワイヤーの両端における真直度を厳しくする等、ワイヤーが切断溝に接触しないように配慮するのが望ましい。   Therefore, in the cutting method of the present invention, the rotation range of the workpiece is limited to a range of 100 ° or more and less than 360 °. A more desirable rotation range is 180 ° or more and less than 360 ° because cracks can be sufficiently prevented when the object to be cut is rod-shaped polycrystalline silicon. Here, when the rotation range approaches 360 ° (for example, 359 °), the wire may come into contact with the cutting groove at a position different from the cutting portion, and wire breakage may occur. Therefore, when it is conceivable that the wire comes into contact with the cutting groove at a position different from the cutting portion, it is desirable to take care not to contact the cutting groove, for example, by increasing the straightness at both ends of the wire.

本発明の切断方法では、切断手段として固定砥粒式ワイヤーソーを用いるのが望ましい。通常、ワイヤーソーを用いた切断方法は、遊離砥粒式ワイヤーソーと固定砥粒式ワイヤーソーとに区分されるが、本発明の切断方法では、固定砥粒式ワイヤーソーを用いた切断方法を採用することにより、切断ロスの削減が図れ、金属汚染の防止も可能になり、切断効率とともに品質向上に優れる。   In the cutting method of the present invention, it is desirable to use a fixed abrasive wire saw as the cutting means. Usually, the cutting method using a wire saw is divided into a free abrasive type wire saw and a fixed abrasive type wire saw. In the cutting method of the present invention, a cutting method using a fixed abrasive type wire saw is used. By adopting it, cutting loss can be reduced, metal contamination can be prevented, and cutting quality is improved along with cutting efficiency.

図1は、切断手段に応じた切断刃と被加工材との接触状況を説明する図であり、(a)は切断手段としてワイヤーソーを用いた場合、(b)は外周刃を用いた場合を示している。図1では、ワイヤーソーを用いた切断では、外周刃を用いた場合と比較すると、ワイヤー2による被加工材1との接触長さLが長くなることから、安定した切断が可能になることを示している。   FIG. 1 is a diagram for explaining a contact state between a cutting blade and a workpiece according to a cutting means, where (a) shows a case where a wire saw is used as the cutting means, and (b) shows a case where an outer peripheral blade is used. Is shown. In FIG. 1, in the cutting using the wire saw, the contact length L with the workpiece 1 by the wire 2 becomes longer than in the case of using the outer peripheral blade, so that stable cutting is possible. Show.

図1(b)に示す外周刃3を用いた切断では、切断刃の半径を被加工材1の直径以上にすると被加工材との接触長さLを長くできるが、切断刃が大きくなると切断装置自体が大型になり、しかも切断刃の強度を確保するために、切断刃の厚みを厚くする必要がある。このため、外周刃3を用いた切断では、切断ロスが増えることから、切断歩留まりが低下する。   In the cutting using the outer peripheral blade 3 shown in FIG. 1 (b), the contact length L with the workpiece can be increased by setting the radius of the cutting blade to be equal to or larger than the diameter of the workpiece 1; In order to increase the size of the apparatus itself and to ensure the strength of the cutting blade, it is necessary to increase the thickness of the cutting blade. For this reason, in the cutting | disconnection using the outer periphery blade 3, since a cutting | disconnection loss increases, a cutting yield falls.

また、金属汚染に関し、例えば、外周刃3を用いた切断では、切断の際に金属製の切断刃が被加工材に直接接触することが予測され、このような場合には金属不純物が被加工材の切断面に取り込まれ、金属汚染を生じることになる。   Further, regarding metal contamination, for example, in cutting using the outer peripheral blade 3, it is predicted that the metal cutting blade directly contacts the workpiece during cutting, and in such a case, the metal impurities are processed. It will be taken into the cut surface of the material and cause metal contamination.

さらに、ワイヤーソーを用いた切断であっても、固定砥粒式ワイヤーソーを用いることにより、金属汚染の防止に有効である。すなわち、2区分されるワイヤーソーのうち、遊離砥粒式ワイヤーソーは、溶剤などの冷却液にダイアモンド砥粒を混入した溶液を研削液として用い、研削材を切断部位に滴下しながら切断するワイヤーソーであり、固定砥粒式ワイヤーソーは、ワイヤーにダイアモンド砥粒を電着させることによって、ダイアモンドを全面に被覆した固定砥粒式ワイヤーを用いるワイヤーソーである。   Furthermore, even when cutting using a wire saw, using a fixed abrasive wire saw is effective in preventing metal contamination. That is, of the two types of wire saws, the free abrasive type wire saw uses a solution in which diamond abrasive grains are mixed in a cooling liquid such as a solvent as a grinding liquid, and is a wire that is cut while dripping the abrasive onto the cutting site. A fixed abrasive wire saw is a wire saw that uses a fixed abrasive wire wire that has diamond coated on the entire surface by electrodepositing diamond abrasive particles on the wire.

したがって、固定砥粒式ワイヤーソーを用いることによって、遊離砥粒式ワイヤーソーを用いた切断とは異なり、固定砥粒式ワイヤー表面がダイアモンド砥粒で被覆されているため、切断の際に多結晶シリコンにワイヤー素地が直接接触しないことから、固定砥粒式ワイヤーに含有される金属成分に起因する金属汚染を抑制できる。   Therefore, by using a fixed abrasive wire saw, unlike the cutting using a loose abrasive wire saw, the surface of the fixed abrasive wire is covered with diamond abrasive grains. Since the wire base is not in direct contact with silicon, metal contamination caused by the metal component contained in the fixed abrasive wire can be suppressed.

しかも、前記図1(a)に示すように、ワイヤー2を用いた切断では、被加工材1との接触長さLが長くなるため、切断時のワイヤー2に負荷される単位長さ当たりの荷重を軽減できることから、固定砥粒式ワイヤー2を用いることによって、一層の金属汚染防止を図ることができる。   Moreover, as shown in FIG. 1 (a), in the cutting using the wire 2, the contact length L with the workpiece 1 is increased, so that per unit length loaded on the wire 2 at the time of cutting is increased. Since the load can be reduced, the use of the fixed abrasive wire 2 can further prevent metal contamination.

ワイヤーソーを用い被加工材を回動させながら切断することにより、内部応力を有する被加工物を対象としても、内部応力の影響を緩和させクラック発生を抑制できるが、切断面には切断加工にともなう模様、いわゆるソーマークを生じる。このソーマークは切断方法や切断条件によって、特有の形態を示す。   By cutting the workpiece while rotating the workpiece using a wire saw, the effects of internal stress can be reduced and cracking can be suppressed even for workpieces with internal stress. Accompanying pattern, so-called saw mark is produced. This saw mark shows a specific form depending on the cutting method and cutting conditions.

図2は、被切断物の切断面に発生するソーマークを示す図であり、(a)はワイヤーソーを用いた切断方法で回動範囲を350°の正逆回転とした場合の切断面を、(b)はワイヤーソーを用いた切断方法で回動範囲を160°の正逆回転とした場合の切断面を、(c)は外周刃を用いた切断方法による切断面を、(d)はバンドソーを用いた切断方法による切断面をそれぞれ示している。   FIG. 2 is a view showing saw marks generated on the cut surface of an object to be cut, and (a) shows a cut surface when the rotation range is set to a forward and reverse rotation of 350 ° by a cutting method using a wire saw. (B) is a cutting method using a wire saw with a rotation range of 160 ° forward and reverse rotation, (c) is a cutting surface by a cutting method using an outer peripheral blade, and (d) is a cutting surface. The cut surface by the cutting method using a band saw is shown, respectively.

図2(a)および(b)に示すように、ワイヤーソーを用いた切断方法によるソーマークは、回動範囲によって異なるものの曲率を有する円弧の形態を示し、最後に切断されるまで切断されない表面部分が一部ある。この部分は、ワイヤーの切断等の損傷を防止するための部位ともいえる。一方、図2(c)および(d)に示すソーマークでは、ほぼ直線状または湾曲した形態を示している。   As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), a saw mark formed by a cutting method using a wire saw has a shape of an arc having a curvature that varies depending on the rotation range, and is a surface portion that is not cut until the last cutting. There are some. This part can also be said to be a part for preventing damage such as cutting of the wire. On the other hand, the saw marks shown in FIGS. 2C and 2D show a substantially linear or curved form.

本発明の切断方法では、被加工材としてシーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンを用いることができる。シーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンでは、気相成長後の冷却過程において内部応力を残存し易い被加工材であるが、結晶内に内部応力が残存しやすい被加工材であっても、内部応力を緩和でき、クラックの発生を抑制できることによる。   In the cutting method of the present invention, rod-shaped polycrystalline silicon produced by the Siemens method can be used as a workpiece. In the rod-like polycrystalline silicon manufactured by the Siemens method, the internal stress is likely to remain in the cooling process after vapor phase growth, but even if the workpiece is likely to retain internal stress in the crystal, This is because the internal stress can be relaxed and the occurrence of cracks can be suppressed.

本発明の切断方法は、前記固定砥粒式ワイヤーソーのワイヤーに対し、1本当たり3〜10kgfの荷重を加えるのが望ましい。荷重が3kgf未満であれば、切断時間が長くなり、切断能率が低下し、荷重が10kgfを超えると切断時間を短縮する効果が飽和し、固定砥粒式ワイヤーが切断する可能性が高くなることによる。   In the cutting method of the present invention, it is desirable to apply a load of 3 to 10 kgf per wire to the wire of the fixed abrasive wire saw. If the load is less than 3 kgf, the cutting time becomes longer, the cutting efficiency is lowered, and if the load exceeds 10 kgf, the effect of shortening the cutting time is saturated, and the possibility that the fixed abrasive wire is cut increases. by.

本発明の切断装置は、シーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンを固定砥粒式ワイヤーソーを用いてその長手方向に略垂直に切断する切断装置であって、前記棒状多結晶シリコンを回動可能な状態で保持する手段と、前記棒状多結晶シリコンを長手方向に垂直な軸断面中心を回動中心として、100°以上、360°未満の範囲で正逆方向に回転させる回動手段と、前記固定砥粒式ワイヤーソーに用いられる固定砥粒式ワイヤーを送給して前記棒状多結晶シリコンを切断する手段と、送給される前記固定砥粒式ワイヤーに荷重を負荷する手段とを備えることを特徴としている。   The cutting device of the present invention is a cutting device that cuts rod-shaped polycrystalline silicon produced by the Siemens method substantially perpendicularly to its longitudinal direction using a fixed abrasive wire saw, and rotates the rod-shaped polycrystalline silicon. Means for holding in a possible state, and rotating means for rotating the rod-shaped polycrystalline silicon in the forward and reverse directions within a range of 100 ° or more and less than 360 °, with the axial cross-sectional center perpendicular to the longitudinal direction as the rotation center; Means for feeding a fixed abrasive wire used in the fixed abrasive wire saw to cut the rod-like polycrystalline silicon, and means for applying a load to the fed fixed abrasive wire It is characterized by that.

図3は、本発明の切断装置における棒状多結晶シリコンの保持手段と回動手段の構成例を示す図である。保持手段として保持具4が用いられ、多結晶シリコン1は保持具4に支持された複数のチャック5で回動可能に固定される。また、回動手段として保持具4には回転軸が設けられ、カップリング6によって回動用モーター7の回転軸に連結されており、多結晶シリコン1を規定範囲内で回動させることができる。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the rod-shaped polycrystalline silicon holding means and the rotating means in the cutting apparatus of the present invention. A holder 4 is used as a holding means, and the polycrystalline silicon 1 is fixed rotatably by a plurality of chucks 5 supported by the holder 4. In addition, the holder 4 is provided with a rotation shaft as a rotation means, and is connected to the rotation shaft of the rotation motor 7 by a coupling 6 so that the polycrystalline silicon 1 can be rotated within a specified range.

図4は、本発明の切断装置を用いて棒状多結晶シリコンを切断する方法を説明する主要部の概略構成図である。前記図3に示す保持手段および回動手段で固定された多結晶シリコン1は、長手方向に垂直な軸断面中心を回動中心として100°以上、360°未満の範囲で回動可能に構成される。このとき、切断手段であるワイヤー2は、ガイドロール9を介して支持され、図示しない駆動手段によって送給され、棒状多結晶シリコン1を切断する構造である。また、切断の際は、負荷手段であるテンショナー8を用いて、棒状多結晶シリコン1に荷重を与えることが可能である。   FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a main part for explaining a method of cutting rod-shaped polycrystalline silicon using the cutting apparatus of the present invention. The polycrystalline silicon 1 fixed by the holding means and the rotation means shown in FIG. 3 is configured to be rotatable within a range of 100 ° or more and less than 360 ° with the axial cross-sectional center perpendicular to the longitudinal direction as the rotation center. The At this time, the wire 2 which is a cutting means is supported via the guide roll 9 and is fed by a driving means (not shown) to cut the rod-like polycrystalline silicon 1. Further, at the time of cutting, it is possible to apply a load to the rod-like polycrystalline silicon 1 using a tensioner 8 as a loading means.

本発明の切断装置では、保持手段および回動手段は、前記図3に示す構造に限定するものではなく、被加工材が多結晶シリコン等であり、金属との直接接触による金属汚染が問題となる場合には、直接接触する部分にはナイロンまたはフッ素樹脂等の合成樹脂でコーティングするのが望ましい。また、回動手段は、被加工材の材質および切断手段等に応じて、プーリー、ギア、インバーター等によって回動速度が調節可能であり、切断抵抗がモニターできるのがよい。   In the cutting apparatus of the present invention, the holding means and the rotating means are not limited to the structure shown in FIG. 3, but the workpiece is polycrystalline silicon or the like, and metal contamination due to direct contact with the metal is a problem. In this case, it is desirable to coat the direct contact portion with a synthetic resin such as nylon or fluorine resin. Moreover, the rotation means can adjust the rotation speed by a pulley, a gear, an inverter, etc. according to the material of the workpiece, the cutting means, etc., and the cutting resistance can be monitored.

本発明の切断装置は、固定砥粒式ワイヤーをエンドレスワイヤーではなく、ワイヤーが終端までいくと、巻き取りドラムの回転方向を反対にして、固定砥粒式ワイヤーを反転させる方式を採用することができる。この場合に、固定砥粒式ワイヤーの反転時に、棒状多結晶シリコンの回動速度に対する固定砥粒式ワイヤーの切断速度が変化するため、固定砥粒式ワイヤーが過負荷になり、断線または絡まり等が生じるおそれがある。このため、固定砥粒式ワイヤーの反転時には、棒状多結晶シリコンの回動を停止し、固定砥粒式ワイヤーを反転させた後、再度、棒状多結晶シリコンを回動させるようにする。   The cutting device of the present invention adopts a method of reversing the fixed abrasive wire by reversing the rotation direction of the take-up drum when the wire reaches the end instead of the endless wire. it can. In this case, when the fixed abrasive wire is turned over, the cutting speed of the fixed abrasive wire changes with respect to the rotational speed of the rod-like polycrystalline silicon, so the fixed abrasive wire becomes overloaded, and is broken or entangled. May occur. For this reason, when the fixed abrasive wire is reversed, the rotation of the rod-like polycrystalline silicon is stopped, and after the fixed abrasive wire is reversed, the rod-like polycrystalline silicon is rotated again.

また、本発明の切断装置では、固定砥粒式ワイヤーを用いて切断する際には、被切断物を切断した後に、ドレス材を配合した接着剤からなるブロックを固定砥粒式ワイヤーで切断させることによって、ダイアモンド砥粒の目立てドレスを実施するのが望ましい。このような目立てドレスを行うことにより、切削抵抗の低減を図り、切断中の割れを防止することができ、多結晶シリコンの歩留まりや生産効率を向上させることができる。   Moreover, in the cutting device of the present invention, when cutting with a fixed abrasive wire, after cutting an object to be cut, a block made of an adhesive containing a dressing material is cut with the fixed abrasive wire. Therefore, it is desirable to carry out a dressing dress of diamond abrasive grains. By performing such dressing, cutting resistance can be reduced, cracking during cutting can be prevented, and the yield and production efficiency of polycrystalline silicon can be improved.

前記図3および図4に示す切断装置を用い、シーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンを供試加工材として、クラック発生状況確認試験(実施例1)および切断速度確認試験(実施例2)を実施した。
(実施例1)
供試加工材を直径130mmの多結晶シリコンとし、表1に示す切断条件および表2に示す回動範囲で切断した。供試加工材を切断した後、切断面におけるクラック発生状況を確認し、全切断本数のうちクラックが発生した本数の割合を百分率で表したクラック発生率(%)を求めた。なお、繰り返し数は20回とした。その結果を表2に示す。
Using the cutting apparatus shown in FIG. 3 and FIG. 4 and using the rod-like polycrystalline silicon produced by the Siemens method as a test material, a crack generation state confirmation test (Example 1) and a cutting speed confirmation test (Example 2) Carried out.
(Example 1)
The test workpiece was polycrystalline silicon having a diameter of 130 mm, and was cut under the cutting conditions shown in Table 1 and the rotation range shown in Table 2. After cutting the test workpiece, the crack generation state on the cut surface was confirmed, and the crack generation rate (%) was calculated by expressing the ratio of the number of cracks generated as a percentage of the total number of cuts. The number of repetitions was 20 times. The results are shown in Table 2.

Figure 2008018478
Figure 2008018478

Figure 2008018478
Figure 2008018478

表2より、供試加工材の回動範囲が本発明の規定範囲を外れる供試No.1〜3ではクラックの発生を抑制することは困難である。これに対し、供試加工材の回動範囲が本発明の規定範囲を満足する供試No.4〜10は、クラックの発生を抑制できることを確認した。また、本発明例であっても、供試No.7〜10においては、供試加工材の回動範囲を180°〜350°にすることにより、切断時にクラックの発生を完全に防止することを確認した。
(実施例2)
次に、実施例1の切断条件で、供試加工材を直径130mmの多結晶シリコンを切断する際に、固定砥粒式ワイヤー1本当たりに加える加重を1〜15kgfの範囲で変化させ、切断速度およびワイヤー切れにおよぼす荷重条件の影響について確認した。その結果を表3に示す。
From Table 2, the test No. in which the rotation range of the workpiece is outside the specified range of the present invention. In 1 to 3, it is difficult to suppress the occurrence of cracks. On the other hand, the test No. in which the rotation range of the test workpiece satisfies the specified range of the present invention. It confirmed that 4-10 can suppress generation | occurrence | production of a crack. Further, even in the present invention example, the test No. In 7-10, it confirmed that the generation | occurrence | production of a crack was completely prevented at the time of a cutting | disconnection by making the rotation range of a test material into 180 degrees-350 degrees.
(Example 2)
Next, when cutting the polycrystalline silicon having a diameter of 130 mm under the cutting conditions of Example 1, the weight applied per fixed abrasive wire is changed in the range of 1 to 15 kgf, and the cutting is performed. The effect of loading conditions on speed and wire breakage was confirmed. The results are shown in Table 3.

Figure 2008018478
Figure 2008018478

表3より、負荷荷重が少ない供試No.1および2は切断時間が長く、負荷荷重が大きい供試No.8ではワイヤー切れが生じた。切断時間に関しては多結晶シリコンの切断能率を考慮し、切断時間が30分以内であることが望ましいことから、供試No.3〜7の結果が示すように、好適な負荷荷重は固定砥粒式ワイヤー1本当たり3〜10kgfであることが確認できた。   From Table 3, the test No. with a small load is shown. Test Nos. 1 and 2 have a long cutting time and a large load. In 8, a wire break occurred. Regarding the cutting time, considering the cutting efficiency of polycrystalline silicon, it is desirable that the cutting time is within 30 minutes. As the results of 3 to 7 show, it was confirmed that a suitable load is 3 to 10 kgf per fixed abrasive wire.

本発明の切断方法および切断装置によれば、内部応力を有する被加工材を切断する際に、切断面へ集中する内部応力を緩和しクラックの発生を抑制できるとともに、荷重条件を適切に管理することによって切断能率の向上が図れ、さらに切断ロスを低減し歩留まりの向上、切断面への金属汚染も抑制できる。これにより、半導体用単結晶シリコンの製造原料として使用される多結晶シリコンの切断手段として広く適用できる。   According to the cutting method and the cutting apparatus of the present invention, when a workpiece having internal stress is cut, the internal stress concentrated on the cut surface can be relaxed and the generation of cracks can be suppressed, and the load condition is appropriately managed. As a result, cutting efficiency can be improved, cutting loss can be further reduced, yield can be improved, and metal contamination on the cut surface can also be suppressed. Thus, it can be widely applied as a means for cutting polycrystalline silicon used as a raw material for producing single crystal silicon for semiconductors.

切断手段に応じた切断刃と被加工材との接触状況を説明する図であり、(a)は切断手段としてワイヤーソーを用いた場合、(b)は外周刃を用いた場合を示している。It is a figure explaining the contact condition of the cutting blade according to a cutting means, and a workpiece, (a) shows the case where a wire saw is used as a cutting means, (b) shows the case where an outer periphery blade is used. . 被切断物の切断面に発生するソーマークを示す図であり、(a)はワイヤーソーを用いた切断方法で回動範囲を350°の正逆回転とした場合の切断面を、(b)はワイヤーソーを用いた切断方法で回動範囲を160°の正逆回転とした場合の切断面を、(c)は外周刃を用いた切断方法による切断面を、(d)はバンドソーを用いた切断方法による切断面をそれぞれ示している。It is a figure which shows the saw mark which generate | occur | produces in the cut surface of a to-be-cut object, (a) is a cut surface at the time of making the rotation range into 350 degree | times by the cutting method using a wire saw, (b) is a figure. A cutting surface when the rotation range is 160 ° forward / reverse rotation by a cutting method using a wire saw, (c) a cutting surface by a cutting method using an outer peripheral blade, and (d) a band saw. The cut surface by the cutting method is shown respectively. 本発明の切断装置における棒状多結晶シリコンの保持手段と回動手段の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the holding means and rotation means of a rod-shaped polycrystalline silicon in the cutting device of this invention. 本発明の切断装置を用いて棒状多結晶シリコンを切断する方法を説明する主要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the principal part explaining the method of cut | disconnecting rod-shaped polycrystalline silicon using the cutting device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:被切断材、2:ワイヤー、固定砥粒式ワイヤー
3:外周刃、4:保持具
5:チャック、6:カップリング
7:モーター、8:テンショナー
9:ガイドロール
1: Material to be cut, 2: Wire, Fixed abrasive type wire 3: Peripheral blade, 4: Holding tool 5: Chuck, 6: Coupling 7: Motor, 8: Tensioner 9: Guide roll

Claims (6)

機械的な切断手段を用いて内部応力を有する棒状の被加工材を切断する方法であって、前記被加工材の長手方向に垂直な軸断面中心を回動中心として、前記被加工材を100°以上、360°未満の範囲内で回動させながら切断することを特徴とする棒状材の切断方法。   A method of cutting a rod-like workpiece having internal stress using a mechanical cutting means, wherein the workpiece is set to a center of rotation about an axial section center perpendicular to the longitudinal direction of the workpiece. A method of cutting a rod-shaped material, characterized by cutting while rotating within a range of not less than ° and less than 360 °. 前記切断手段として固定砥粒式ワイヤーソーを用いることを特徴とする請求項1に記載の棒状材の切断方法。   The method for cutting a rod-shaped material according to claim 1, wherein a fixed abrasive wire saw is used as the cutting means. 前記被加工材がシーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンであることを特徴とする請求項1または2に記載の棒状材の切断方法。   The method for cutting a rod-shaped material according to claim 1 or 2, wherein the workpiece is a rod-shaped polycrystalline silicon manufactured by a Siemens method. 前記固定砥粒式ワイヤーソーのワイヤーに対し、1本当たり3〜10kgfの荷重を加えることを特徴とする請求項2または3に記載の切断方法。   The cutting method according to claim 2 or 3, wherein a load of 3 to 10 kgf is applied to each wire of the fixed abrasive wire saw. シーメンス法により製造された棒状多結晶シリコンを固定砥粒式ワイヤーソーを用いてその長手方向に略垂直に切断する切断装置であって、
前記棒状多結晶シリコンを回動可能な状態で保持する手段と、
前記棒状多結晶シリコンを長手方向に垂直な軸断面中心を回動中心として、100°以上、360°未満の範囲で正逆方向に回転させる回動手段と、
前記固定砥粒式ワイヤーソーに用いられる固定砥粒式ワイヤーを送給して前記棒状多結晶シリコンを切断する手段と、
送給される前記固定砥粒式ワイヤーに荷重を負荷する手段とを備え、前記棒状多結晶シリコンの切断面に発生するクラックを抑制することを特徴とする切断装置。
A cutting device that cuts rod-shaped polycrystalline silicon produced by the Siemens method substantially perpendicularly to its longitudinal direction using a fixed-abrasive wire saw,
Means for holding the rod-like polycrystalline silicon in a rotatable state;
Rotation means for rotating the rod-like polycrystalline silicon in the forward and reverse directions within a range of 100 ° or more and less than 360 °, with the axial cross-sectional center perpendicular to the longitudinal direction as the rotation center;
Means for feeding the fixed abrasive wire used in the fixed abrasive wire saw to cut the rod-like polycrystalline silicon;
And a means for applying a load to the fixed-abrasive wire to be fed to suppress cracks generated on the cut surface of the rod-like polycrystalline silicon.
前記負荷手段で加える荷重が、前記固定砥粒式ワイヤー1本当たり3〜10kgfであることを特徴とする請求項5に記載の切断装置。
The cutting device according to claim 5, wherein the load applied by the loading means is 3 to 10 kgf per one fixed abrasive wire.
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