JP2015046474A - ウェーハの製造方法及びワイヤソーにおける加工条件決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱要因の影響を抑え、切断精度と生産性とを両立可能なウェーハの製造方法及びワイヤソーにおける加工条件決定方法を提供する。
【解決手段】所定のピッチで張架されたワイヤ列を高速走行させ、そのワイヤ列に被加工物を押し当て、加工液を供給しながら多数枚のウェーハを同時に切断するウェーハの製造方法であって、ワイヤは、表面に直径１０μｍ〜２０μｍの砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤであり、加工液は、動摩擦係数が０．１３以上であり、ワイヤの線速を１５００ｍ／分以上、且つ、切断速度を１．０ｍｍ／分以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハの製造方法及びワイヤソーにおける加工条件決定方法に関する。

棒状の結晶性インゴットを切断してウェーハを製造する装置の一つにワイヤソーがある（例えば、特許文献１）。ワイヤソーは所定のピッチで張架されたワイヤ列を高速走行させ、そのワイヤ列に被加工物である結晶性インゴットを押し当てることにより多数枚のウェーハを同時に切断する装置である。

このワイヤソーには従来から主に使用されている遊離砥粒方式による遊離砥粒ワイヤソーと、近年開発されている固定砥粒方式による固定砥粒ワイヤソーがある。固定砥粒ワイヤソーは、ワイヤ全長にわたり表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤを用いてワイヤ列を形成し、そのワイヤ列を高速走行させることによりインゴットを切断するものであり、遊離砥粒方式よりもワイヤ線速を速くできる点で有利である。

ところで、切断加工においては、切削抵抗が小さいほど切断精度（ソリや板厚偏差）が良好な結果が得られる。このことは、ワイヤソーにおいて被加工物の送り速度（切断速度）を遅くした方が加工精度がよくなることからも理解できる。しかしながら、これでは加工精度はよくなるが、生産性が悪化してしまう。このように、切断精度と生産性は、典型的には互いに相反するものである。実際に市販されているワイヤソーにおける切断速度は１ｍｍ／分程度であった。

一方で、ワイヤ線速が速くなると、全体としての総加工量は変わらないものの砥粒一つ一つの単位時間当たりの仕事量が少なくなるので、加工精度が良好になることが知られていた。

特開２０１２−２１８１２９号公報

しかしながら、ワイヤソーの加工条件には、切断速度、ワイヤ線速以外に色々な要因があり、且つ、機械性能（剛性、熱的要素など）の違い（以下、これらをあわせて外乱要因とも呼ぶ。）などによって、ワイヤ線速の影響が潜在化してしまっていた。実際に市販されているワイヤソーのワイヤ線速は、早いもので１０００ｍ／分程度であった。

即ち、ワイヤソーについてこれまでの技術常識では、切断速度を１ｍｍ／分より速くすると加工精度が悪化してしまい、また、ワイヤ線速を１０００ｍ／分より速くしても加工精度にほとんど影響しないものと考えられていた。実験的には、切断速度を１ｍｍ／分より速くし、ワイヤ線速を１０００ｍ／分より速くすることはあっても、これが実際に市販されることはなく、外乱要因の影響を抑える条件を見出せていなかった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、外乱要因の影響を抑え、切断精度と生産性とを両立可能なウェーハの製造方法及びワイヤソーにおける加工条件決定方法を提供することにある。

（１） 所定のピッチで張架されたワイヤ列を高速走行させ、そのワイヤ列に被加工物を押し当て、加工液を供給しながら多数枚のウェーハを同時に切断するウェーハの製造方法であって、
前記ワイヤは、表面に直径１０μｍ〜２０μｍの砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤであり、
前記加工液は、動摩擦係数が０．１３以上であり、
ワイヤ線速を１５００ｍ／分以上かつ切断速度を１．０ｍｍ／分以上とすることを特徴とするウェーハの製造方法。
（２） 前記ワイヤ線速を２０００ｍ／分以上とすることを特徴とする（１）に記載のウェーハの製造方法。
（３） 前記切断速度を２．０ｍｍ／分以上とすることを特徴とする（１）又は（２）に記載のウェーハの製造方法。
（４） 前記被加工物は、太陽電池用インゴット又は半導体デバイス用インゴットであることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のウェーハの製造方法。
（５） 所定のピッチで張架されたワイヤ列を高速走行させ、そのワイヤ列に被加工物を押し当て、加工液を供給しながら多数枚のウェーハを同時に切断するワイヤソーにおける加工条件決定方法であって、
既知の切断速度とワイヤ線速、及びこの切断速度とワイヤ線速における既知の厚さばらつきを、それぞれ基準切断速度、基準ワイヤ線速、基準厚さばらつきとし、所望の切断速度及び厚さばらつきから下記式に基づいてワイヤ線速を決定することを特徴とする加工条件決定方法。
ワイヤ線速＝１／２×基準ワイヤ線速×（切断速度／基準切断速度）×（基準厚さばらつき／厚さばらつき）

本発明のウェーハの製造方法及びワイヤソーにおける加工条件決定方法によれば、ワイヤ線速を速くすることで切断速度を速くすることができ、これにより比表面積が小さく平均粒径の大きな切粉が生成され、より切削抵抗の小さな加工を行うことができる。また、ウェーハの反り及びウェーハの厚さばらつきを示すＴＴＶ（total thickness variation）の悪化を抑制でき、切断精度と生産性とを両立することができる。

本発明のウェーハの製造方法に用いられるワイヤソーの一実施形態を概略的に示す斜視図である。 比較例１による加工後の切粉の粒度分布を示すグラフである。 実施例１〜３及び比較例１による加工後の切粉の粒度分布を示すグラフである。 実施例１〜３及び比較例１における加工位置とワイヤたわみ量との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係るウェーハの製造方法及びワイヤソーにおける加工条件決定方法について図面を用いて説明する。図１は、本発明のウェーハの製造方法に用いられるワイヤソーの一実施形態を概略的に示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態のワイヤソー１０においては、ワーク加工用のワイヤ２１が巻き回される一対のボビン２２Ａ，２２Ｂが、図示しないフレームに間隔をおいて回転可能に支持されている。両ボビン２２Ａ，２２Ｂ間の位置においてフレームには、複数（実施形態では一対）の加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂが間隔をおいて回転可能に支持されている。両加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂの外周面には複数の環状溝２３ａが所定のピッチで形成され、この加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂの環状溝２３ａ間にワイヤ２１が架設状態で周回されている。加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂ間のワイヤ２１の上方には図示しないサドルが昇降可能に配置され、そのサドルの下面にはワークＷが支持板に貼着した状態で着脱可能に装着される。ワークＷは、例えば太陽電池用インゴット、半導体デバイス用インゴット等のインゴットが用いられる。

前記各ボビン２２Ａ，２２Ｂと各加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂとの間においてフレーム上には、ワイヤ２１の走行を案内するための複数（実施形態では各６個）のガイドローラ２４Ａ〜２９Ａ，２４Ｂ〜２９Ｂが間隔をおいて回転可能に支持されている。

ワイヤ２１は、固定砥粒付ワイヤであって、高張力線材等の素材によるワイヤ素線と、ダイヤモンド、ＣＢＮ、ＳｉＣ、ＧＣ、アルミナ等の材質による砥粒と、ワイヤ素線と砥粒とを固着しているバインダーとから構成されている。なお、砥粒の固着方法については、電着、有機材料または無機材料による固着（熱硬化等）の樹脂固定等任意の方法が適用されうる。

ワイヤ素線は、線径が０．１２〜０．１４ｍｍであることが好ましい。砥粒は、粒度（砥粒の直径）が１０μｍ〜２０μｍである。

このワイヤソー１０において、運転時には、いずれか一方のボビン２２Ａ，２２Ｂから繰り出されたワイヤ２１が、一方のワイヤ走行経路の各ガイドローラ２４Ａ〜２９Ａ，２４Ｂ〜２９Ｂを介して、加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂ上に導かれて、両加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂ間で周回走行される。それとともに、加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂ上から繰り出されるワイヤ２１が、他方のワイヤ走行経路の各ガイドローラ２４Ｂ〜２９Ｂ，２４Ａ〜２９Ａを介して、他方のボビン２２Ｂ，２２Ａに巻き取られる。

そして、加工用ローラ２３Ａ，２３Ｂ間におけるワイヤ２１の周回走行状態で、そのワイヤ２１上に図示しない加工液供給装置から加工液（クーラント）が供給される。この状態で、図示しないサドルが下降されて、ワークＷがワイヤ２１に対して押し付けられ、そのワイヤ２１によりワークＷが多数枚のウェーハに切断加工される。ワークＷの送り速度（以下、切断速度とも呼ぶ。）は１．０ｍｍ／分以上、好ましくは１．５ｍｍ／分以上、さらに好ましくは２．０ｍｍ／分以上に設定可能であり、ワイヤ２１の線速（以下、ワイヤ線速とも呼ぶ。）を１５００ｍ／分以上、好ましくは２０００ｍ／分以上、さらに好ましくは２５００ｍ／分以上に設定可能である。

加工液は、曽田式振り子試験において求められた動摩擦係数が０．１３以上であり、好ましくは０．１５以上であり、さらに好ましくは０．２５以上である。

このように構成されたワイヤソー１０を用いて切断速度を１．０ｍｍ／分以上かつワイヤ線速を１５００ｍ／分以上に設定して、ワークＷを加工すると、従来の切断速度１．０ｍｍ／分かつワイヤ線速１０００ｍ／分のワイヤソーと比べて、より大きな切粉が発生することが分かった。これは、ワイヤ線速を速くして切断速度を速くすると、単位時間当たりのワークとワイヤとの接触量が大きくなることで、大きな切粉が発生したものと考えられる。同じ加工量であれば、切粉の比表面積が小さい、平均粒径の大きな切粉を発生させる加工方法がより、切削抵抗の小さな加工となる。

以下、本発明の効果について実施例と比較例を挙げて説明する。
本実施例及び比較例では、１５６ｍｍ角のインゴットを表１で示すように切断速度及びワイヤ線速を変えて測定した。また、表１にはＴＴＶもあわせて記載してあるがこれについては後述する。

また、図２は、比較例１による加工後の切粉の粒度分布を示すグラフであり、図３は実施例１〜３及び比較例１による加工後の切粉の粒度分布を示すグラフである。さらに、図４は、実施例１〜３及び比較例１における加工位置とワイヤたわみ量との関係を示すグラフである。

図２と図３を比較すると、図２では、切粉の粒子径が約５μｍを中心に凡そ１〜１０μｍに存在しているのに対し、図３では、約７０〜８０μｍを中心に凡そ１０〜１００μｍに存在しており、この結果から実施例１〜３では大きな切粉が発生していることが実証された。

切粉の平均粒径が大きくなると、これまでのように加工毎に切粉を除去する必要がなく、またクーラントを再利用するための大掛かりな回収設備に代えて汎用性が高く安価な不織布フィルター等を用いることができる。これにより、回収設備が安価に抑えられ、ランニングコストも低減できるため、製造されるウェーハの単価を抑えることができる。切粉の平均粒径は１０μｍ以上が好ましく、２０μｍ以上がより好ましく、３０μｍ以上がさらに好ましい。

切断速度を上げると発生する加工熱は大きくなるが、図４に示すように、切削抵抗を示すワイヤたわみ量は、ワイヤ線速に従って小さな値を示している。より具体的に説明すると、切断速度の等しい実施例２と比較例１とを比較すると、ワイヤ線速を２倍にすることで切削抵抗を示すワイヤたわみ量は約半分程度となっている。また、実施例１、３と比較例１とを比較すると、切断速度が１．５倍、２倍と加工負荷が大きくなっているのに対し、切削抵抗を示すワイヤたわみ量はほぼ同程度に維持されている。これらのことから、ワイヤ線速を速くすることで、切削抵抗が小さくなり、大きな切粉が発生することが分かった。

さらに、表１に示したＴＴＶ（以下、厚さばらつきとも呼ぶ。）を比較すると、ワイヤ線速が速くなると厚さばらつきは小さくなり、厚さばらつきとの間に反比例の関係が成り立つと想定される。また、切断速度が速くなると厚さばらつきは大きくなり、厚さばらつきとの間に正比例の関係が成り立つと想定される。

さらにワイヤ線速と切断速度との間には相互作用がないものとして、上記結果を考察すると、実施例２と比較例１との間に大きな隔たりがあることを考慮すると、厚さばらつきに対する影響力はワイヤ線速の方が２倍程大きいと判断できる。即ち、ワイヤ線速は厚さばらつきに２倍で作用していると判断できる。即ち、比較例１（切断速度：１．０ｍｍ／分、ワイヤ線速：１０００ｍ／分）の厚さばらつき２２μｍを基準として、実施例の加工結果を推測すると下記（１）式から厚さばらつきが導出可能である。

厚さばらつき＝２２μｍ×（切断速度／１．０）／{２×（ワイヤ線速／１０００）} （１）

この結果を元に、実施例の加工結果（厚さばらつき）を推定すると、実施例１〜３では、それぞれ１１μｍ、６μｍ、１１μｍとなり、実際の加工結果１２μｍ、８μｍ、１０μｍと凡その関係が得られていると考えられる。

即ち、既知の切断速度とワイヤ線速、及びこの切断速度とワイヤ線速における既知の厚さばらつきを、それぞれ基準切断速度、基準ワイヤ線速、基準厚さばらつきとすると、上記式（１）は以下の（２）式のように書き換えることができる。さらに（２）式から（３）式が得られる。

厚さばらつき＝基準厚さばらつき×（切断速度／基準切断速度）／{２×（ワイヤ線速／基準ワイヤ線速）} （２）

ワイヤ線速＝１／２×基準ワイヤ線速×（切断速度／基準切断速度）×（基準厚さばらつき／厚さばらつき） （３）

（３）式は、既知の切断速度とワイヤ線速、及びこの切断速度とワイヤ線速における既知の厚さばらつきを、それぞれ基準切断速度、基準ワイヤ線速、基準厚さばらつきとし、所望の切断速度及び厚さばらつきから好適なワイヤ線速を算出することができることを表している。

例えば、上記比較例１が既知であるとすると、厚さばらつきを同程度に維持しつつ切断速度を４倍にしたい、言い換えると加工時間を１／４に短縮したいとき、基準切断速度を１．０ｍｍ／分、切断速度を４．０ｍｍ／分、基準ワイヤ線速を１０００ｍ／分、基準厚さばらつき及び厚さばらつきを２２μｍとすると、上記（３）式から切断速度を約２０００ｍ／分に設定すればよい。

このように本発明のウェーハの製造方法によれば、所定のワイヤ及び所定の動摩擦係数を有する加工液を用いて切断加工することにより、外乱要因の影響を抑えることができ、ワイヤ線速を速くすることで大きな切粉が発生し、切削抵抗の小さな加工を実現することができる。また、ウェーハの反り及びウェーハの厚さばらつきを示すＴＴＶの悪化も抑制でき、したがって切断精度と生産性とを両立することができる。

また、本発明のワイヤソーにおける加工条件決定方法によれば、既知の切断速度とワイヤ線速、及びこの切断速度とワイヤ線速における既知の厚さばらつきと、所望の切断速度及び厚さばらつきから、好適なワイヤ線速を算出することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本発明のウェーハの製造方法で用いられるワイヤソーは上記実施形態に記載のワイヤソーに限らず、任意のワイヤソーに適用可能である。

１０ ワイヤソー
２１ ワイヤ
２２Ａ，２２Ｂ ボビン
２３Ａ，２３Ｂ 加工用ローラ
Ｗ ワーク（被加工物）

Claims (5)

1. 所定のピッチで張架されたワイヤ列を高速走行させ、そのワイヤ列に被加工物を押し当て、加工液を供給しながら多数枚のウェーハを同時に切断するウェーハの製造方法であって、
   前記ワイヤは、表面に直径１０μｍ〜２０μｍの砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤであり、
   前記加工液は、動摩擦係数が０．１３以上であり、
   ワイヤ線速を１５００ｍ／分以上かつ切断速度を１．０ｍｍ／分以上とすることを特徴とするウェーハの製造方法。
2. 前記ワイヤ線速を２０００ｍ／分以上とすることを特徴とする請求項１に記載のウェーハの製造方法。
3. 前記切断速度を２．０ｍｍ／分以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のウェーハの製造方法。
4. 前記被加工物は、太陽電池用インゴット又は半導体デバイス用インゴットであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のウェーハの製造方法。
5. 所定のピッチで張架されたワイヤ列を高速走行させ、そのワイヤ列に被加工物を押し当て、加工液を供給しながら多数枚のウェーハを同時に切断するワイヤソーにおける加工条件決定方法であって、
   既知の切断速度とワイヤ線速、及びこの切断速度とワイヤ線速における既知の厚さばらつきを、それぞれ基準切断速度、基準ワイヤ線速、基準厚さばらつきとし、所望の切断速度及び厚さばらつきから下記式に基づいてワイヤ線速を決定することを特徴とする加工条件決定方法。
   ワイヤ線速＝１／２×基準ワイヤ線速×（切断速度／基準切断速度）×（基準厚さばらつき／厚さばらつき）
   
   
   
   
   

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