JP2010253621A - ワイヤソーのクーラント管理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定砥粒ワイヤによりシリコン材料を切断する際の性能を大幅に向上できるようにする。
【解決手段】ワイヤ芯材表面にダイヤモンド砥粒を固着させた固定砥粒ワイヤ２にクーラント７を供給してシリコン材料４を切断するワイヤソーのクーラント管理方法であって、切断によって生じた使用済みスラリ１３を直接遠心分離機１５に導いてシリコン切削屑２４を除去し、シリコン切削屑２４が除去されたクーラント７を固定砥粒ワイヤ２に供給して再使用する。
【選択図】図１

Description

本発明はシリコン材料を切断するためのワイヤソーのクーラント管理方法及び装置に関するものである。

従来より、シリコンインゴット、シリコンウェハ等のシリコン材料を切断するための装置として、ワイヤソーと呼ばれるものが用いられている（例えば、特許文献１等参照）。従来のワイヤソーは、特許文献１に示されるように、鉄系金属の線材よりなるワイヤを所定の張力を保持した状態で走行させると共に、砥粒を分散液に分散させた切削液（遊離砥粒方式という）をワイヤに供給しながら、ワイヤをシリコン材料に接触させることにより、その接触部分を線状に削り取ることで切断している。

上記ワイヤソーで用いられる切削液は、分散液に重量比で例えば１：１（即ち、約５０％）になるように大量の砥粒を混合することで切削性を高めるようにしており、更に、均一な切削を行うためには分散性を高める必要があることから分散液には比較的高い粘度のものが用いられている。

従って、このように高い濃度の切削液をワイヤに供給してシリコン材料の切断を行うと、切断後の使用済みスラリには、前記高濃度の砥粒が混入されていることに加えて、シリコン材料を切断した後のシリコン切削屑が混入するために、固形分濃度は更に増加し、よって使用済みスラリの粘度は更に上昇することになる。

前記したワイヤソーからの使用済みスラリは、通常、スラリ受槽で受けた後、回収タンクに送って貯留するようにしている。スラリ回収タンクに貯留された使用済みスラリは、先ず、第１分離手段に供給してシリコン切削屑より粒径が大きい砥粒を分離した後、第２分離手段に供給してシリコン切削屑と分散液を分離している。前記第１分離手段で分離した砥粒と、第２分離手段で分離した分散液は調合タンクに供給し、又、調合タンクには未使用の砥粒、未使用の分散液を供給して切削液の調合を行い、調合された切削液は前記ワイヤソーに供給するようにしている。上記した遊離砥粒方式のワイヤソーにおいては、切削液中の砥粒の分散性が低下した場合には、均一な切断ができなくなる問題があるため、砥粒の沈殿・分離が生じないように常に撹拌等を行って均一な分散性を保持するようにしている。

前記ワイヤソーからの使用済みスラリは、前記したように粘度が非常に高く、しかも砥粒とシリコン切削屑が混在しているために、複数段の分離手段を設けて砥粒とシリコン切削屑を分離する必要があるため分離作業が大変であり、分離手段も大掛かりとなって設備が高価になるという問題を有していた。このように、使用済みスラリの分離作業は困難であるため、従来の使用済みスラリの分離作業は、切断作業が終了した後でバッチ式に行うようにしていた。

又、切断作業によって生じるシリコン切削屑は、分散液中の水分及び添加物等と反応してゲル化或いはゾル化し、切削液中に塊状物（ダマ）を形成する問題があり、前記ワイヤソーのワイヤの走行速度を高めて運転しようとした場合には前記ダマがワイヤに噛み込まれることにより、シリコン材料の切断面の品質を低下させるという問題がある。

又、従来の遊離砥粒方式によるワイヤソーでは、ワイヤの走行速度を高めると切削部に実質的に供給される砥粒の量が減少する問題があり、更に、前記したようにダマの噛み込みによる品質低下の問題があるために、従来はワイヤの走行速度を低く抑えるようにしており、従って、従来のワイヤソーによってシリコンインゴットを切断する場合には、１２〜２４時間前後という長い時間を要しており、切断作業能率は低いものとなっていた。

一方、近年では、ピアノ線などのワイヤ芯材表面にダイヤモンド砥粒を固着させた固定砥粒ワイヤ（固定砥粒方式という）を用いてシリコンウェハを切断する技術が知られている（例えば、特許文献２等参照）。特許文献２では、固定砥粒ワイヤにクーラントを供給してシリコンウェハを切断しており、切断によって生じるシリコン切削屑が混入した使用済みスラリは、スラリ受槽により受けた後、回収タンクに送って貯留するようにしている。そして、回収タンクに貯留された使用済みスラリは、沈降槽等に導いてシリコン切削屑を除去し、シリコン切削屑が除去されたクーラントは供給タンクに導いて前記固定砥粒ワイヤに供給することにより再使用している。

特許文献２に示す固定砥粒ワイヤは、ワイヤにダイアモンド砥粒が固定されており、砥粒の分散性は常に確保されているので、前記特許文献１の場合に比して切削性が向上し短期間での切断が可能であり、更に、固定砥粒ワイヤには冷却主体のクーラントを供給するのみでよい（分散性は要求されない）ため、クーラントには水溶性クーラント等の安価なものを採用することができる利点がある。

特開２００１−３２２０６６号公報 特開２００２−１４４２２９号公報

しかし、特許文献２に示す固定砥粒ワイヤを用いてシリコン材料を切断する場合においても、循環使用されるクーラント中の固形分（シリコン切削屑）の濃度は比較的高い状態に保持されており、しかも、シリコン材料の切断開始時に対して切断終了時のクーラント中の固形分濃度は６〜７％上昇することが本発明者らの調査によって分かっているので、固定砥粒ワイヤによる切削速度が低く押えられるという問題を有していた。更に、使用済みスラリーを回収タンクで貯留している間に、濃度の高いシリコン切削屑はクーラント中の水分及び添加物等と反応しゲル化或いはゾル化して塊状物（ダマ）を形成する問題がある。従って、このダマが固定砥粒ワイヤに噛み込まれることによりシリコン材料の切断面の品質が低下するという問題があるために、固定砥粒ワイヤ自体は切削性に優れているにも拘らず、その性能を十分に発揮することができず、切削速度が低く押えられるという問題を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、固定砥粒ワイヤによりシリコン材料を切断する際の切削速度を大幅に高められるようにしたワイヤソーのクーラント管理方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、ワイヤ芯材表面にダイヤモンド砥粒を固着させた固定砥粒ワイヤにクーラントを供給してシリコン材料を切断するワイヤソーのクーラント管理方法であって、
切断によって生じた使用済みスラリを直接遠心分離機に導いてシリコン切削屑を除去し、シリコン切削屑が除去されたクーラントを前記固定砥粒ワイヤに供給して再使用するようにしたことを特徴とするワイヤソーのクーラント管理方法、に係るものである。

上記ワイヤソーのクーラント管理方法において、前記使用済みスラリが重力によって遠心分離機に供給されるようにしていることは好ましい。

又、上記ワイヤソーのクーラント管理方法において、前記遠心分離機によってシリコン切削屑を除去したクーラントの固形分濃度は６〜８重量％であることが好ましい。

又、上記ワイヤソーのクーラント管理方法において、前記遠心分離機に導く使用済みスラリは加熱することが好ましい。

本発明は、ワイヤ芯材表面にダイヤモンド砥粒を固着させた固定砥粒ワイヤを備えてシリコン材料を切断するワイヤソー本体と、前記固定砥粒ワイヤにクーラントを供給するクーラント供給装置とを有するワイヤソーのクーラント管理装置であって、
前記ワイヤソー本体で発生した使用済みスラリを直接導入してシリコン切削屑を除去し、シリコン切削屑が除去されたクーラントを前記クーラント供給装置に供給するようにした遠心分離機を備えたことを特徴とするワイヤソーのクーラント管理装置、に係るものである。

上記ワイヤソーのクーラント管理装置において、前記ワイヤソー本体の下部に遠心分離機を配置して、ワイヤソー本体からの使用済みスラリが重力によって遠心分離機に供給されるようにしたことは好ましい。

又、上記ワイヤソーのクーラント管理装置において、前記遠心分離機の入口部に使用済みスラリを加熱する加熱器を備えたことは好ましい。

本発明のワイヤソーのクーラント管理方法及び装置によれば、切断によって生じた使用済みスラリを直接遠心分離機に導いて、使用済みスラリ中のシリコン切削屑を直ちに除去するようにしたので、クーラント供給装置に戻して再使用するクーラント中のシリコン切削屑の濃度を低い状態に安定して管理することができ、よって、固定砥粒ワイヤによる切断速度を高く保持することができ、更に、使用済みスラリ中のシリコン切削屑を直ちに除去するために、シリコン切削屑がクーラント中の水分及び添加物等と反応してゲル化或いはゾル化する問題を抑制でき、よって、ダマの噛み込みの問題を防止してシリコン材料の切断面の品質を向上できることからも固定砥粒ワイヤによる切断速度が高められるという優れた効果を奏し得る。

更に、使用済みスラリからシリコン切削屑を除去したクーラントの固形分濃度が６〜８重量％になるように遠心分離機による分離性能を調節することにより、シリコン材料の切断面の品質を高く保持した状態で固定砥粒ワイヤによる切断速度を大幅に高められる効果がある。

本発明を実施するワイヤソーのクーラント管理装置の一実施例の概略を示すブロック図である。 遠心分離機の一例の概略を示す切断側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は発明を実施するワイヤソーのクーラント管理装置の一実施例の概略を示すブロック図である。図１中、１はワイヤソー本体であり、該ワイヤソー本体１は、ワイヤ芯材表面にダイヤモンド砥粒を固着させた固定砥粒ワイヤ２が、頂点が下を向くように逆三角形状に配置されたローラ３ａ，３ｂ，３ｃに複数回掛け回されて走行駆動されるように備えられている。更に、ローラ３ｂ，３ｃに掛けられた固定砥粒ワイヤ２の上部にはシリコン材料４（ワーク）が配置されていると共に、シリコン材料４の上部にはシリコン材料４が上方へ逃げないように係止しておくためのストッパ５が設けられている。６はクーラント供給装置であり、該クーラント供給装置６は、クーラント７を収容する供給タンク８と、該供給タンク８に接続されたクーラント供給管９と、該クーラント供給管９に備えたポンプ１０及び冷却器１１を有しており、前記ポンプ１０の駆動により前記供給タンク８のクーラント７を、前記ワイヤソー本体１のシリコン材料４と固定砥粒ワイヤ２が接する部分に供給ノズル１２を介して供給するようになっている。

そして、前記固定砥粒ワイヤ２を走行駆動すると共に、シリコン材料４と固定砥粒ワイヤ２の接する部分にクーラント供給装置６によりクーラント７を供給した状態で、逆三角形状のローラ３ａ，３ｂ，３ｃを矢印Ａのように上昇させると、シリコン材料４はストッパ５に係止された状態で固定砥粒ワイヤ２により複数部分で切削されて切断されるようになっている。

前記ワイヤソー本体１の下部には、ワイヤソー本体１から落下してくる使用済みスラリ１３を受けるスラリ受槽１４が設けてあり、更に、該スラリ受槽１４で受けた使用済みスラリ１３は、スラリ受槽１４よりも下側に配置した遠心分離機１５に対してスラリ供給管１６により直接供給されるようになっている。即ち、スラリ受槽１４の使用済みスラリ１３は重力によって遠心分離機１５に供給されるようになっている。１７は遠心分離機１５の入口と前記スラリ受槽１４との間に設けた加温器である。尚、図示例ではスラリ受槽１４の使用済みスラリ１３が重力によって遠心分離機１５に供給されるようにした場合を例示したが、遠心分離機１５の入口に破線で示すように供給ポンプ１８を備えて、ポンプ圧によって使用済みスラリ１３を遠心分離機１５に供給するようにしてもよい。

前記遠心分離機１５は、図２に示すように、一端側にテーパ部１９を備えた外胴である回転体２０が例えば２０００〜６０００ｒｐｍの高速で回転されるようになっており、該回転体２０の内部には、前記テーパ部１９側の軸２１の内部に設けられた内軸２２を介して前記使用済みスラリ１３が導入されるようになっており、更に、前記回転体２０の内部には、回転体２０と僅かの回転差を有して回転するスクリュウ２３が設けてあり、従って、内軸２２から回転体２０の内部に供給された使用済みスラリ１３のシリコン切削屑は遠心力によって回転体２０内面に押付けられ、更に、スクリュウ２３の作用によって図２の左方向に送られてテーパ部１９に沿い脱水されつつ移動し、脱水されたシリコン切削屑２４は固体出口２５から吐出される。又、クーラント７は精製液となって図２の右方向へ送られて、側板２６の取出口２７から取り出される。

前記遠心分離機１５の固体出口２５から吐出されたシリコン切削屑２４は、図１に示す切削屑回収容器２８に回収され、又、前記遠心分離機１５の取出口２７から吐出されたクーラント７はクーラント供給装置６の供給タンク８に戻されて再使用されるようになっている。供給タンク８には、蒸発等によるクーラント７の減少分を補充するための新クーラント７’が供給されるようになっていると共に、遠心分離機１５で比重の大きい成分がシリコン切削屑２４と共に排出されることにより減少した成分を補充して成分調整を行うようになっている。

前記遠心分離機１５は、使用済みスラリ１３の供給量、回転体２０のコーン部の角度・長さ、回転他２０の内部に設けてシリコン切削屑２４とクーラント７を分ける分離堰の高さ等によりシリコン切削屑２４の除去性能は設定することができると共に、回転体２０の回転速度を調節することによってシリコン切削屑２４の除去性能は調整できるので、シリコン切削屑分離後のクーラント７に含有される固形分の濃度が目標値になるように調整することができる。

本発明者らは、クーラント７に含有される固形分の濃度が種々の値になるように調整してシリコン材料４の切断試験を実施した結果、クーラント７の固形分濃度を６〜８重量％に調整したときには、切断速度を高く保持した状態においてもシリコン材料４の切断面の品質を高く保持できることを得た。尚、クーラント７の固形分濃度を６〜８重量％としたときの固形分の平均粒径は約１μｍであった。又、前記遠心分離機１５による分離性能を高め、しかも前記クーラント７の固形分濃度を６〜８重量％に維持するためには、前記加温器１７によって遠心分離機１５に供給する使用済みスラリ１３を加温することが有効であることが判明した。

上記実施例の作動を説明する。

ワイヤソー本体１の固定砥粒ワイヤ２を走行駆動させると共に、ポンプ１０を駆動して供給タンク８のクーラント７をシリコン材料４と固定砥粒ワイヤ２が接する部分に供給し、逆三角形状のローラ３ａ，３ｂ，３ｃを矢印Ａのように上昇させる。すると、ストッパ５に係止されたシリコン材料４は固定砥粒ワイヤ２によって複数部分で切削されて切断される。

シリコン材料４の切削により生じる使用済みスラリ１３は、スラリ受槽１４に流下し、スラリ受槽１４の使用済みスラリ１３はスラリ供給管１６により直接遠心分離機１５に供給されて直ちにシリコン切削屑２４が除去される。シリコン切削屑２４が除去されたクーラント７は供給タンク８に供給される。この時、使用済みスラリ１３には、クーラント７にシリコン切削屑２４が混入しているのみであるため、従来の砥粒が混入された遊離砥粒方式の使用済みスラリに比して粘性が低いために、遠心分離機１５によって連続して容易にシリコン切削屑２４を除去することができる。

前記供給タンク８には、蒸発等によるクーラント７の減少分を補充するための新クーラント７’が供給されると共に、遠心分離機１５で比重の大きい成分がシリコン切削屑２４と共に排出されることにより減少した成分を補充する成分調整が行われ、成分調整されたクーラント７は、冷却器１１によって所定の温度に保持されて再び前記ワイヤソー本体に供給される。

上記したように、シリコン材料４の切削によって生じた使用済みスラリ１３を直接遠心分離機１５に導き、使用済みスラリ１３中のシリコン切削屑２４を直ちに除去するようにしたので、クーラント供給装置６に戻して再使用するクーラント７中のシリコン切削屑の濃度を低い状態に安定して管理することができ、よって、固定砥粒ワイヤ２による切断速度を高く保持できるようになる。更に、使用済みスラリ１３中のシリコン切削屑を直ちに除去するために、シリコン切削屑がクーラント７中の水分及び添加物等と反応してゲル化或いはゾル化する問題を抑制でき、よって、ダマの噛み込みの問題を防止してシリコン材料４の切断面の品質を向上できることからも固定砥粒ワイヤ２による切断速度が高められるようになる。

従って、遠心分離機１５で得られたクーラント７をクーラント供給装置６に戻し再びワイヤソー本体１に供給してシリコン材料４の切断を行っても、シリコン材料４の切断面の品質を高く維持した状態で固定砥粒ワイヤ２により高速で切断することができる。

上記において、遠心分離機１５の回転数を制御するとにより、シリコン切削屑２４を除去した後のクーラント７の固形分濃度が６〜８重量％になるように調整する。このように、クーラント７の固形分濃度を６〜８重量％になるように調整したときの固形分の平均粒径は約１μｍであった。

上記したように、クーラント７の固形分濃度が６〜８重量％になるように調整すると、このときの固形分の平均粒径が約１μｍと微細であることから、固形分による切削性に対する影響は小さく、よって、固定砥粒ワイヤ２のよる切削速度は高く維持することができ、更に、ダマの形成が殆ど生じなくなるために、シリコン材料４の切断面の品質は高く保持できるようになる。

この時、加温器１７によって遠心分離機１５に供給する使用済みスラリ１３を加温すると、前記遠心分離機１５による分離性能を高めることができるので、前記クーラント７の固形分濃度を６〜８重量％に維持する管理が容易になる。又、前記したように、固定砥粒ワイヤ２によりシリコン材料４を高速で切断すると、切断治時の熱によって使用済みスラリ１３の温度が上昇することになるが、このように温度が上昇した使用済みスラリ１３を直接遠心分離機１５に導入しているので、この熱を利用して前記遠心分離機１５の分離性能を高めることができる。

尚、本発明のワイヤソーのクーラント管理方法及び装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、ワイヤソー本体の固定砥粒ワイヤによるシリコン材料の切断方式には限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ワイヤソー本体
２ 固定砥粒ワイヤ
４ シリコン材料
６ クーラント供給装置
７ クーラント
１３ 使用済みスラリ
１５ 遠心分離機
１７ 加温器
２４ シリコン切削屑

Claims (7)

1. ワイヤ芯材表面にダイヤモンド砥粒を固着させた固定砥粒ワイヤにクーラントを供給してシリコン材料を切断するワイヤソーのクーラント管理方法であって、
   切断によって生じた使用済みスラリを直接遠心分離機に導いてシリコン切削屑を除去し、シリコン切削屑が除去されたクーラントを前記固定砥粒ワイヤに供給して再使用するようにしたことを特徴とするワイヤソーのクーラント管理方法。
2. 前記使用済みスラリが重力によって遠心分離機に供給されるようにしていることを特徴とする請求項１記載のワイヤソーのクーラント管理方法。
3. 前記遠心分離機によってシリコン切削屑を除去したクーラントの固形分濃度は６〜８重量％であることを特徴とする請求項１又は２記載のワイヤソーのクーラント管理方法。
4. 前記遠心分離機に導く使用済みスラリは加熱していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のワイヤソーのクーラント管理方法。
5. ワイヤ芯材表面にダイヤモンド砥粒を固着させた固定砥粒ワイヤを備えてシリコン材料を切断するワイヤソー本体と、前記固定砥粒ワイヤにクーラントを供給するクーラント供給装置とを有するワイヤソーのクーラント管理装置であって、
   前記ワイヤソー本体で発生した使用済みスラリを直接導入してシリコン切削屑を除去し、シリコン切削屑が除去されたクーラントを前記クーラント供給装置に供給するようにした遠心分離機を備えたことを特徴とするワイヤソーのクーラント管理装置。
6. 前記ワイヤソー本体の下部に遠心分離機を配置して、ワイヤソー本体からの使用済みスラリが重力によって遠心分離機に供給されるようにしたことを特徴とする請求項５記載のワイヤソーのクーラント管理装置。
7. 前記遠心分離機の入口部に使用済みスラリを加熱する加熱器を備えたことを特徴とする請求項５又は６記載のワイヤソーのクーラント管理装置。

Images