JP2009113272A

JP2009113272A - 硬質材料の切断方法

Info

Publication number: JP2009113272A
Application number: JP2007287219A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ogami; 寛之大上
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】高価な切断工具を使用することなく、切断工具を高速走行させたり高速回転させる必要がなく、マルチ切断が可能で、被切断物の大きさに制限がなく、切断加工代が極めて小さく、切断面を平滑に仕上げることが可能な切断方法を提供する。
【解決手段】一方の繰り出しリール３から鋼製ワイヤ２を連続的に繰り出し、この鋼製ワイヤ２をフェントン反応槽１内のフェントン処理液５に浸漬後単結晶ＳｉＣのインゴット１０の表面に当接させ、鋼製ワイヤ２の鉄分に由来する第一鉄イオンとフェントン処理液５中の過酸化水素とのフェントン反応により発生するヒドロキシラジカルで単結晶ＳｉＣのインゴット１０をエッチングし、メインローラ６、７をそのエッチング速度に合わせつつ下方にゆっくりと移動させて、下降する鋼製ワイヤ２によって単結晶ＳｉＣのインゴット１０を切断後、他方の巻取リール９に鋼製ワイヤ２を巻き取る。
【選択図】図１

Description

本発明は硬質材料の切断方法に関し、特に、シリコン、石英、セラミック等の硬質材料を化学的な方法で効率的に切断する方法に関するものである。

各種硬質材料を切断する方法として、ワイヤソーが知られている。このワイヤソーは、テンションを付与した細いワイヤ列を走行させ、そのワイヤ列に砥粒を含有するスラリー状の研磨材をかけながら被切断物（例えば、シリコンインゴット）をワイヤ列に押し当てて、遊離砥粒の研磨作用によって被切断物をウェハ状に切断する装置であり、同時に複数枚のウェハを得ることが可能であるから、マルチ切断法とも呼ばれている。図３に、一例として単結晶シリコンの加工に使われるワイヤソー装置の概略構成を示す。

図３を簡単に説明すると、繰り出しボビン２１から供給されたワイヤ２２は、ワイヤをガイドするための多数のガイドローラ２３を経て多数の溝を有する複数のメインローラ２４において所定ピッチのワイヤ列を形成し、そのワイヤ列に対してフィードユニット２５によって被切断物２６を押し当てつつノズル２７からワイヤ列に向けてスラリー状の遊離砥粒をかけることによって被切断物２６をウェハ状に切断し、その後、ワイヤ列は多数のガイドローラ２８を経て巻き取りボビン２９に巻き取られる。ワイヤ２２はメインローラ２４に付設された駆動モータ３０の駆動力によって走行するが、そのとき、ダンサーローラ３１、３２の動きの情報が繰り出しボビン２１および巻き取りボビン２９の回転にフィードバックされ、一定のテンションが保たれる。通常、ワイヤ２２はその材料としての有効利用と切断面粗さの改善など品質面からの要請で一定の双方向走行または一方向走行を行いながら前進し、最終的に巻き取りボビン２９に巻き取られる。

このような遊離砥粒を用いたワイヤソーの特徴は、（１）被切断物全体を一挙に切断する方式であるため、切断速度が大きくなくても大量に処理することができ、（２）工具がワイヤであるため、大口径被切断物の切断が比較的容易であり、（３）遊離砥粒の研磨作用を利用する切断であることに加えて、工具が細いワイヤであるため切り代が少なく、薄いウェハの切断が可能であるという特徴を有するが、スラリー状の遊離砥粒を用いるため、装置内で飛散したスラリーの持ち出しにより作業環境が汚される欠点があるとともに、廃液処理、切断されたウェハの洗浄が必要であるなどの欠点を有している。

そこで上記欠点を解消する手段として、ワイヤにダイヤモンド砥粒などを樹脂で固定させた樹脂固定砥粒式ソーワイヤやダイヤモンド砥粒を電着法でワイヤに固定させた電着固定砥粒式ソーワイヤが提案されている。

さらに、特許文献１には、図４に示すような単結晶ＳｉＣのインゴットの切断・鏡面加工装置が記載されている。図４において、メタルボンド砥石４１を陽極とし、このメタルボンド砥石４１と対設させた電極４２を陰極とし、メタルボンド砥石４１と電極４２の間に加工液供給手段４３からライン４４を経て導電性加工液４５を供給し、メタルボンド砥石４１と電極４２間に電圧印加手段４６によって直流電流パルス電圧を印加することによりメタルボンド砥石４１の表面を電解ドレッシングしながら、メタルボンド砥石４１のテーパ部分４７（異なる粒度のダイヤモンド砥粒と鋳鉄を主成分とする金属結合材とからなる）により単結晶ＳｉＣのインゴット４８を切断し、次いで、メタルボンド砥石４１の平板部４９（異なる粒度のダイヤモンド砥粒と鋳鉄を主成分とする金属結合材とからなる）で切断面が鏡面加工される。

また、特許文献２には、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなダイヤモンド砥石外周刃５１と図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなダイヤモンド砥石内周刃６１が記載されている。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）において、外周刃５１を構成する台板５２が超硬合金からなり、台板５２外周の切り刃部５３はダイヤモンド系砥粒粉末を１０ないし８０体積％含有している。図６（ａ）（ｂ）（ｃ）において、内周刃６１を構成する台板６２が超硬合金からなり、台板６２内周の切り刃部６３はダイヤモンド系砥粒粉末を１０ないし８０体積％含有している。
特開２０００−７９５６１号公報特開平１１−３３３７２９号公報

固定砥粒式ソーワイヤや特許文献１や特許文献２に記載された砥石は、いずれもダイヤモンド砥粒による研磨作用を利用した切断方法であるため、切断工具が高価なものとなる。また、切断速度を向上させるためには、ワイヤソーやダイヤモンド砥石などの切断工具を高速走行させたり、高速回転させる必要があり、ランニングコストが高くなる。また、特許文献１に記載されたメタルボンド砥石や特許文献２に記載されたダイヤモンド砥石はマルチ切断法に対処することが困難である。さらに、特許文献１に記載されたメタルボンド砥石や特許文献２に記載されたダイヤモンド砥石では、大口径のものを切断する場合、砥石径も大きくせざるを得ないので切断時に工具振れが発生しやすくなる。そして、特許文献１に記載されたメタルボンド砥石では、切断面の鏡面加工を行うための平板部の摩耗により切断加工代が変化することがある。また、固定砥粒式ソーワイヤや特許文献１や特許文献２に記載された砥粒による切断方式は一定の大きさの砥粒を用いる以上、切断面を平滑に仕上げるのは困難であり、切断面の粗さが大となり、表面にうねりや反りが発生しやすいので、次工程で切断面を研磨するために多大な手間が必要である。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高価な切断工具を使用することなく、切断工具を高速走行させたり高速回転させる必要がなく、マルチ切断が可能で、被切断物の大きさに制限がなく、切断加工代が極めて小さく、切断面を平滑に仕上げることが可能な硬質材料の切断方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の切断方法は、砥粒による研磨作用を利用した物理的な切断方法に代えて、強力な酸化剤の酸化力による化学反応を利用した切断方法を提供する。すなわち、本発明者は、酸素より反応性の強い活性酸素を利用するという極めてユニークな切断方法を着想したのである。

活性酸素は、ラジカル種とノンラジカル種からなる。ラジカル種には、スーパーオキシド（・Ｏ₂ ^-）、ヒドロキシラジカル（ＨＯ・）、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯＯ・）、アルコキシラジカル（ＬＯ・）、アルキルペルオクシラジカル（ＬＯＯ・）、一酸化窒素（ＮＯ）などがあり、ノンラジカル種には、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）、一重項酸素（¹Ｏ₂）、ペルオキシナイトライト（ＯＮＯＯ^-）、脂質ヒドロペルオキシド（ＬＯＯＨ）、次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）、オゾン（Ｏ₃）などがある。記号「・」は不対電子を意味する。

これらの中で、スーパーオキシド、ヒドロキシラジカル、過酸化水素および一重項酸素が狭義の活性酸素と呼ばれる。そして、スーパーオキシドの酸化力が最も低く、ヒドロキシラジカルの酸化力が最も強い。酸化還元電位で比較すると、酸素分子が０．９４、過酸化水素が１．３０、オゾンが１．５２であるのに対して、ヒドロキシラジカルは２．０５と極めて大きい数値である。本発明者はこのヒドロキシラジカルに着目した。ヒドロキシラジカルを発生させるには様々な方法があるが、例えば、次式に示すように、酸性のｐＨ域で、過酸化水素に二価のＦｅイオンが触媒的に反応して連鎖反応が起こり、ヒドロキシラジカルが生成する（いわゆる、フェントン反応）。

Ｆｅ²⁺＋Ｈ₂Ｏ₂ → Ｆｅ³⁺＋ＨＯ・＋ＯＨ^- （１）
そして、このヒドロキシラジカル（ＨＯ・）の強力な酸化力を利用して、硬質材料を切断することが可能となる。

すなわち、本発明は、過酸化水素を含有するフェントン処理液を有するフェントン反応槽の該フェントン処理液中に浸漬した硬質材料を鉄製ワイヤにより切断する方法において、硬質材料の一方側から他方側に向けて移動する鉄製ワイヤまたは硬質材料の一方側と他方側の間を繰り返し往復移動する鉄製ワイヤをフェントン反応槽内のフェントン処理液に浸漬後硬質材料表面に当接させて、鉄製ワイヤの鉄分に由来する第一鉄イオンとフェントン処理液中の過酸化水素とのフェントン反応により発生するヒドロキシラジカルを利用して硬質材料をエッチングしつつ上記鉄製ワイヤを下降させるかもしくは硬質材料を上昇させるか又は上記鉄製ワイヤを下降させつつ硬質材料を上昇させることにより硬質材料を切断することを特徴としている。

本発明において、鉄製ワイヤが硬質材料の一方側と他方側の間を繰り返し往復移動するとは、鉄製ワイヤが振動することを含む意である。

すなわち、フェントン反応槽内に進入した鉄製ワイヤの鉄分がフェントン処理液で酸化されることによって生成したＦｅ²⁺の存在下で上記（１）式に示すように、ヒドロキシラジカル（ＨＯ・）が発生し、このヒドロキシラジカルを利用して、次式（２）に示すように、高硬度で化学的にも極めて安定なＳｉＣをエッチングして切断することができる。

ＳｉＣ＋４ＨＯ・＋Ｏ₂→ ＳｉＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂ （２）

本発明は化学反応を利用して発生する強力な酸化剤の酸化力を利用して切断する方法であるから、高価な切断工具を使用することなく、切断工具を高速走行させたり高速回転させる必要がない。また、鉄製ワイヤを複数本並行して移動させることによりマルチ切断が可能である。また、化学反応を利用するので被切断物の大きさに制限がなく、切断加工代が極めて小さく、切断面を平滑に仕上げることが可能である。

本発明の切断方法に使用する鉄製ワイヤとしては、特に制限はなく、例えば、長尺のピアノ線などの鋼線を用いることができる。

本発明の切断方法に使用する鉄製ワイヤの直径は、被切断物の形状および特性により適宜選択することができ、通常は０．０１〜０．５mm程度が採用されることが多いが、０．０１mm以下の細線であっても、０．５mmを超える厚めの線であっても、本発明の効果は同じである。

本発明はフェントン反応を利用する切断方法であるから、反応槽内のフェントン処理液の条件をフェントン反応をスムーズに進めることができるように維持することが好ましい。

フェントン処理液のｐＨは、２．０ないし５．０が好ましい。ｐＨが５．０を超えると、フェントン反応の結果、第一鉄イオン（Ｆｅ²⁺）が酸化されることにより、Ｆｅ（ＯＨ）₃を主とする汚泥が生成しやすくなる。一方、ｐＨが２．０を下回ると、フェントン反応の進行速度が緩慢になる。このｐＨ調整には、塩酸、硫酸などを用いることができる。

上記のように、フェントン反応の結果、第一鉄イオン（Ｆｅ²⁺）が酸化されることにより、Ｆｅ（ＯＨ）₃を主とする汚泥が生成する。このＦｅ（ＯＨ）₃はフェントン反応に寄与せず、却って妨げとなるので、適宜反応槽から排出することが好ましい。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において、適宜変更と修正が可能である。
（１）フェントン反応槽
図１は、フェントン反応槽１の概略構成を示す図である。直径１００μｍの鋼製（ＳＷＲＳ８２Ａ相当品）のワイヤ２を満杯に巻回した繰り出しリール３から鋼製ワイヤ２を繰り出し、その鋼製ワイヤ２をガイドローラ４を経てフェントン反応槽１内に進入させ、下記に示す組成を有するフェントン処理液５に少なくとも下半部が浸されたメインローラ６、７を経て、ガイドローラ８を経由して巻取リール９に巻き取る。メインローラ６、７の外周面には円周方向に沿って多数の溝が形成されており、鋼製ワイヤ２はメインローラ６、７の溝に沿って巻き付けられて所定ピッチのワイヤ列を形成するので、いわゆるマルチ切断が可能である。また、メインローラ６、７は図示しない駆動装置によって上下方向に移動することが可能である。

１０は単結晶ＳｉＣのインゴットであり、固定台１１上に静置されている。
（２）フェントン処理液の組成
当初のフェントン処理液のＨ₂Ｏ₂濃度は３５重量％、液温は２０〜２５℃である。
（３）単結晶ＳｉＣのインゴットの切断
そして、繰り出しリール３から鋼製ワイヤ２を徐々に繰り出し、ガイドローラ４を経てフェントン反応槽１内のフェントン処理液５に浸漬することによって鋼製ワイヤ２のＦｅの一部はＦｅ（ＯＨ）₂となる。このＦｅ（ＯＨ）₂は酸性のフェントン処理液５に溶解して、Ｆｅ²⁺イオンとなる。このＦｅ²⁺イオンと過酸化水素とが次式のように反応してヒドロキシラジカル（ＨＯ・）が生成する。

Ｆｅ²⁺＋Ｈ₂Ｏ₂ → Ｆｅ³⁺＋ＨＯ・＋ＯＨ^-
そして、そのヒドロキシラジカル（ＨＯ・）を利用して、次式に示すように、高硬度で化学的にも極めて安定なＳｉＣをエッチングして切断することができる。

ＳｉＣ＋４ＨＯ・＋Ｏ₂→ ＳｉＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂
ヒドロキシラジカルは極めて強力な酸化剤ではあるが、１００万分の一秒程度しか存在しない。そこで、鋼製ワイヤ２の鉄分に由来するＦｅ²⁺と過酸化水素との反応により発生するヒドロキシラジカルを利用して単結晶ＳｉＣのインゴットをエッチングし、メインローラ６、７は図示しない駆動装置によって、そのエッチング速度に合わせつつ下方にゆっくりと移動させて、下降する鋼製ワイヤ２によって単結晶ＳｉＣのインゴット１０をマルチ切断することができる。

その結果、単結晶ＳｉＣのインゴット１０を２０mm×２０mm×０．９mmの大きさの単結晶ＳｉＣウェハにマルチ切断した（約０．００３mm長さ／分の切断速度）。そのＳｉＣウェハの表面粗さは０．２μｍ（Ｒａ）であり、表面のうねりは５μｍであった。なお、本明細書において、表面のうねりとは、図２に示すように、ＳｉＣウェハの表面Ｆの最も高い箇所（凸部）と最も低い箇所（凹部）との高低差（Ｗｔ）をいう。

上記実施例においては、単結晶ＳｉＣのインゴット１０を固定台１１に静置して、メインローラ６、７とともに鋼製ワイヤ２を下降させることにより単結晶ＳｉＣのインゴット１０を切断したが、メインローラ６、７は下方に移動させずに鋼製ワイヤ２のパスラインはそのまま保持した状態として、単結晶ＳｉＣのインゴット１０を固定台１１とともに上昇させても単結晶ＳｉＣのインゴット１０を切断することができる。さらに、鋼製ワイヤ２を下降させつつ単結晶ＳｉＣのインゴット１０を上昇させても単結晶ＳｉＣのインゴット１０を切断することができる。
（４）遊離砥粒方式による単結晶ＳｉＣのインゴットの切断
図３に示すワイヤソー装置において、被切断物２６として同上単結晶ＳｉＣのインゴットを２０mm×２０mm×０．９mmの大きさの単結晶ＳｉＣウェハにマルチ切断すると、そのＳｉＣウェハの表面粗さは０．５μｍ（Ｒａ）となり、表面のうねりは１０μｍとなった。この場合、砥粒は、直径が８〜１５ｍのダイヤモンド砥粒であり、ワイヤの切断速度は約０．００７mm長さ／分であった。
（５）以上のように、本発明によれば、化学反応を利用して硬質材料を切断するので被切断物の大きさに特に制限がなく、切断加工代が極めて小さく、切断面を平滑に仕上げることが可能である。

本発明の切断方法は、シリコン、石英、セラミック等の硬質材料の切断に用いることができる。

本発明の切断方法を適用することができる装置の概略構成図である。表面のうねりを説明する図である。一般的なワイヤソー装置の概略構成図である。特許文献１に記載された単結晶ＳｉＣの切断・鏡面加工装置の概略構成図である。図５（ａ）は特許文献２に記載されたダイヤモンド砥石外周刃の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線縦断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の外周端部拡大図である。図６（ａ）は特許文献２に記載されたダイヤモンド砥石内周刃の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線縦断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）の内周端部拡大図である。

符号の説明

１フェントン反応槽
２鋼製ワイヤ
３繰り出しリール
４ガイドローラ
５フェントン処理液
６メインローラ
７メインローラ
８ガイドローラ
９巻取リール
１０単結晶ＳｉＣのインゴット
１１固定台

Claims

過酸化水素を含有するフェントン処理液を有するフェントン反応槽の該フェントン処理液中に浸漬した硬質材料を鉄製ワイヤにより切断する方法において、
硬質材料の一方側から他方側に向けて移動する鉄製ワイヤまたは硬質材料の一方側と他方側の間を繰り返し往復移動する鉄製ワイヤをフェントン反応槽内のフェントン処理液に浸漬後硬質材料表面に当接させて、鉄製ワイヤの鉄分に由来する第一鉄イオンとフェントン処理液中の過酸化水素とのフェントン反応により発生するヒドロキシラジカルを利用して硬質材料をエッチングしつつ上記鉄製ワイヤを下降させるかもしくは硬質材料を上昇させるか又は上記鉄製ワイヤを下降させつつ硬質材料を上昇させることにより硬質材料を切断することを特徴とする硬質材料の切断方法。