JP5117163B2 - ワイヤソーによるワーク切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤソーによるワーク切断方法に関し、特に高い切断レートを実現するワイヤソーによるワーク切断方法に関する。

シリコンインゴットからシリコンウェーハを切り出す切断加工においては、インゴットの大口径化やコストダウンの観点から、高いレートの切断が要求されている。このため、近年では、これまで主流であった内周刃方式からワイヤソー方式を用いることが主流となっている（例えば、特許文献１）。ワイヤソー方式は、シリコンウェーハ一枚あたりの加工レート（切断レート）は、枚葉切断の内周刃方式よりも高い値を得ることができる。このため、全体の切断時間は内周刃方式に比べ非常に長いが、一回の切断で長さ数百ｍｍのシリコン単結晶インゴットの切断が可能であり、一度に数百枚のシリコンウェーハを切り出すことができる。

ワイヤソーによる切断において、シリコン単結晶インゴットの切断速度（切断レート）をあげる方法としては、番手の大きな砥粒を用いて切断を行う方法、シリコン単結晶インゴットのワイヤへの押し付け圧を上げる方法、走行するワイヤの速度を上げる方法がそれぞれ有効とされている。

しかし、番手の大きな砥粒を用いる方法では、切断時のカーフロスが大きくなってしまったり、切断後の面粗さが悪化したりするとの問題がある。また、押し付け圧をあげる方法では、切断中のワイヤのたわみが大きくなり、切断後のうねりや面粗さが悪化する。また、ワイヤ速度を上げる方法では、装置上の限界が存在する。
特開２００１−３２８０５７号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、加工液に改良を加えることにより、高い切断レートを実現するワイヤソーによるワーク切断方法を提供することにある。

本発明の一態様のワイヤソーによるワーク切断方法は、加工液を供給してワークを切断するワイヤソーによるワーク切断方法であって、前記ワークはシリコン単結晶であり、砥粒と、直径１ｎｍ以上１００μｍ未満の気泡を含み加工液に対し６．２５重量％以上の割合の気泡水と、を混合して含有させた加工液をワイヤに供給することを特徴とする。

ここで、前記気泡水中の気泡密度が、２．７〜７．４×１０ ^６ 個／ｍｌ、気泡粒径の中央値が０．５９３〜０．５９６μｍであることが望ましい。

本発明によれば、加工液に改良を加えることにより、高い切断レートを実現するワイヤソーによるワーク切断方法を提供することが可能になる。

以下、本発明のワイヤソーによるワーク切断方法の実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。なお、ここではワイヤソーで切断するワーク（または被切断物）として、シリコン単結晶を対象とする場合を例として記載する。本明細書中、直径が１ｎｍ以上１００μｍ未満の気泡を、単に当該気泡とも称するものとする。そして、当該気泡水とは、この直径が１ｎｍ以上１００μｍ未満の気泡（当該気泡）を含有する純粋等の水を称するものとする。また、直径が１ｎｍ以上１００μｍ未満の気泡（当該気泡）はマイクロナノバブルとも称される。

本実施の形態のワイヤソーによるワーク切断方法は、加工液（またはスラリ）を供給してワークを切断するワイヤソーによるワーク切断方法であって、この加工液に砥粒と当該気泡水が含まれることを特徴とする。

図２は、本実施の形態の方法で用いられるワイヤソー装置の概略図である。このワイヤソー装置１０には、ワイヤボビン１２とプーリ１４と、ワイヤボビン１２とプーリ１４との間に、往復走行可能に張られたワイヤ１６を備えている。そして、例えば、シリコン単結晶等のワーク１８を取り付けるワーク取り付け治具２０が設けられている。そして、この取り付け治具２０は、バランスウェイト機構２２に組み込まれ、このバランスウェイト機構２２より、ワーク１８のワイヤ１６に対する加重を調整可能としている。また、ワイヤソー装置１０には、ワーク切断中にワイヤ１６に対して、加工液を供給する加工液供給部２４が備えられている。

さらに、ワイヤソー装置１０には、当該気泡水生成装置２６が付設されている。この当該気泡水生成装置２６で生成された当該気泡水が、砥粒等と混合され、加工液供給部２４からワイヤ１６に供給可能となるよう加工液供給系が構成されている。当該気泡中の気体は、例えば、空気、酸素等を用いることが可能であるが特に限定されるわけではない。

この当該気泡水生成装置２６は、例えば、旋回流式の当該気泡発生機構を用いて１０００個〜数１００万個／ｍｌの密度の直径が１ｎｍ以上１００μｍ未満の気泡（当該気泡）を発生可能に設計されている。

次に、ワイヤソー装置１０および当該気泡水生成装置２６を用いたワーク切断方法について説明する。

まず、ワイヤボビン１２とプーリ１４との間に張られたワイヤ１６の張力を所定の張力となるよう調整する。次に、例えば、シリコン単結晶であるワーク１８をワーク取り付け治具２０に固定する。そして、固定されたワーク１８の、切断時のワイヤ１６に対する加重が所定の加重となるように、バランスウェイト機構２２を調整する。

このように、ワイヤ１６の張力と、ワイヤ１６に対するワーク１８の押し付け加重を調整した後に、ワーク１８をワイヤ１６に押し付けると共に、ワイヤボビン１２に接続されるモータ（図示せず）を駆動してワイヤ１６を往復走行運動させ、ワーク１８の切断を実行する。ワーク１８切断時には、砥粒と、当該気泡水生成装置２６で生成された当該気泡水を含む加工液を加工液供給部２４からワイヤ１６に供給する。この加工液には、公知のワイヤソー用加工液が含有されていてもかまわない。

本実施の形態のように、加工液に砥粒に加えて当該気泡水を含有させることにより、ワークに対する高い切断レートを実現することが可能となる。また、同時にワイヤの磨耗を減少させ、ワイヤ寿命の向上が可能となる。

上述のように、本実施の形態において、ワークに対する高い切断レートを実現することが可能となる理由は次のように考えられる。図３は、当該気泡水の作用を説明する図である。図３（ａ）が従来の加工液を使用する場合、図３（ｂ）が本実施の形態の当該気泡水を含む加工液を使用する場合である。

図３（ｂ）に示すように、砥粒２８を含む加工液３０に当該気泡水を含有させることにより、加工液３０とワイヤ１６とのぬれ性が向上し、加工液３０がワイヤ１６に対して図３（ａ）の場合より平滑に付着する。これは、当該気泡の界面活性効果によるものと考えられる。

図４も、当該気泡水の作用を説明する図である。ワイヤ１６とワーク１８とが接触する加工部分は、図４に示すように細いスリット状になっている。このため、ぬれ性が高い加工液ほどこのスリット状の隙間に入りやすく、結果としてより多くの砥粒が加工部分に供給されることになり、高い切断レートを実現することが可能となる。また、当該気泡が大きなゼータ電位を有することから、ワイヤ１６に対する砥粒の付着が強固になることも高い切断レートの実現に寄与している。

そして、ワイヤ１６に対する砥粒２８の付着が強固になるため、砥粒２８とワイヤ１６とのすべりが減少する。このため、ワイヤ１６の砥粒２８との摩擦による磨耗が減少する。よって、ワイヤ寿命の向上が可能となる。

なお、本実施の形態において、当該気泡水の当該気泡密度が、１０００個／ｍｌ以上であることが望ましい。この密度以上であれば、高い切断レート実現効果およびワイヤ寿命の向上効果が実用上十分得られるからである。さらに、当該気泡水の当該気泡密度が、５０万個／ｍｌ以上であることが望ましい。この密度以上であれば、高い切断レート実現効果およびワイヤ寿命の向上効果が顕著に得られるからである。

また、当該気泡水は、当該気泡生成後１０時間以内の当該気泡水であることが望ましい。当該気泡水中の当該気泡密度およびゼータ電位は、時間と共に減少するところ、当該気泡生成後１０時間以内であれば、当該気泡生成直後同様の効果が得られるためである。

また、加工液中の当該気泡水の割合が６．２５重量％以上であるであることが望ましい。これは、この割合であれば、高い切断レートおよび実現効果およびワイヤ寿命の向上効果が実用上十分得られるからである。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、ワイヤソー装置やワイヤソーによるワーク切断方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるワイヤソー装置やワイヤソーによるワーク切断方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

例えば、上記実施の形態においては、ワイヤソー装置として、比較的小さなワークを対象とする装置を例に説明したが、本発明の適用は、このような装置に限らず、シリコン単結晶インゴットのような大型のワークを切断するワイヤソー装置に適用することも可能である。また、ワークとしてシリコン単結晶を例に説明したが、必ずしもシリコン単結晶に限らず、ワイヤソーでの切断対象となる固体であれば、例えば、ＧａＡｓ単結晶、ＩｎＰ単結晶等のシリコン以外の単結晶、ガラス、セラミックス等についても適用することが可能である。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのワイヤソーによるワーク切断方法は、本発明の範囲に包含される。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図２に示すようなワイヤソー装置であるメイワフォーシス株式会社製ワイヤソー装置（型番３０３２−４／Ｓ）を用いて２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍのシリコン単結晶のワークを切断した。切断面はＳｉ（１００）面とした。ワイヤは線径０．１４ｍｍのジャパンファインスチール製ＳＲＭ０．１４ｍｍを用いた。また、加工条件として、ワイヤテンション（張力）を１．０００５ｋｇｆ、ワイヤ走行速度１７０ｍ／ｍｉｎとした。また、バランスウェイト機構により、ワークのワイヤに対する加重を、０．２Ｎの一定加重として切断した。

当該気泡水生成装置としては、株式会社協和機設製ナノバブル生成装置ＢＵＶＩＴＡＳ（形式：ＨＹＫ−２５）を用いて生成した。当該気泡中の気体は空気とした。１８Ｌの純水に対し、当該気泡水生成装置を３０分稼動させて生成した当該気泡水を加工液に含有させた。今回用いた当該気泡水は、比較的気泡の安定する生成後４０ｍｉｎ経過時にレーザー回折法による粒度分布測定を行った結果、気泡密度が２．７〜７．４×１０^６個／ｍｌ、気泡粒径の中央値が０．５９３〜０．５９６μm、ヒストグラムのピークは０．１μm、０．３μm、０．５μm付近にそれぞれ見られた。加工液は、上記当該気泡水、ユシロ化学工業株式会社製ワイヤソー加工液（ユシロテックＷＬ６６５）および理研コランダム製ＧＣ砥粒（ＧＣＲ＃１５００）を重量比２５：１７５：２００の割合で混合したものを用いた。

当該気泡水生成から切断までの時間（生成後時間）を変化させて、切断を行い、ワーク切断時間から加工レート（切断レート）を算出した。結果は図１に示す。また、切断後のワイヤの引っ張り強度を、生成後時間直後の場合（実施例１−１）と、生成後時間５日（１２０時間）の場合（実施例１−２）について測定した。引っ張り強度は、引張試験機（オリンテック社ＵＣＴ）にて測定した。結果は、図５に示す。また、実施例１−１についてはＳＥＭ（１５００倍）により、切断後のワイヤ表面観察を行った。結果は図６（ｂ）に示す。

（比較例１）
当該気泡水を加工液に含有させないこと以外は実施例１と同様の条件でワークの切断を行った。

加工レートの結果は図１に、引っ張り強度の結果は図５に、ワイヤ表面観察結果は図６（ａ）に示す。

（比較例２）
当該気泡水のかわりに当該気泡を含有しない純水を用いること以外は実施例１と同様の条件でワークの切断を行った。

引っ張り強度の結果を図５に示す。

（比較例３）
使用前のワイヤを比較例３とした。

引っ張り強度の結果を図５に示す。ワイヤ表面観察結果は図６（ｃ）に示す。

図１に示すように、当該気泡水を含む加工液を用いると、当該気泡水を含まない加工液（比較例１）に比べ、加工レートが向上する。また、当該気泡水を含む加工液については、生成後時間と加工レートに相関関係が見られ、特に生成後時間１０時間以内の場合が、加工レートの向上効果が顕著である。

また、図５に示すように、切断後のワイヤの引っ張り強度は、当該気泡水を含む加工液（実施例１−１、実施例１−２）を用いると、当該気泡水を含まない加工液（比較例１、２）に比べ、使用前（比較例３）と比較した場合の引っ張り強度の劣化が抑制される。

そして、図６に示すように、当該気泡水を含む加工液（実施例１−１）を用いた場合の表面（図６（ｂ））は、当該気泡水を含まない加工液（比較例１）の場合の表面（図６（ａ））にみられるような、砥粒とワイヤの摩擦による筋状の引っかき傷が見られない。

以上、本実施例により、本発明の作用・効果が確認された。

実施例の加工レート算出結果を示す図。 実施の形態のワイヤソー装置の概略図。 実施の形態の作用の説明図。 実施の形態の作用の説明図。 実施例の引っ張り強度の測定結果を示す図。 実施例のワイヤ表面観察結果を示す図。

符号の説明

１０ ワイヤソー装置
１２ ワイヤボビン
１４ プーリ
１６ ワイヤ
１８ ワーク
２０ ワーク取り付け治具
２２ バランスウェイト機構
２４ 加工液供給部
２６ 当該気泡水生成装置
２８ 砥粒
３０ 加工液

Claims (2)

1. 加工液を供給してワークを切断するワイヤソーによるワーク切断方法であって、
   前記ワークはシリコン単結晶であり、
   砥粒と、直径１ｎｍ以上１００μｍ未満の気泡を含み加工液に対し６．２５重量％以上の割合の気泡水と、を混合して含有させた加工液をワイヤに供給することを特徴とするワイヤソーによるワーク切断方法。
2. 前記気泡水中の気泡密度が２．７〜７．４×１０ ^６ 個／ｍｌ、気泡粒径の中央値が０．５９３〜０．５９６μｍであることを特徴とする請求項１記載のワイヤソーによるワーク切断方法。