JP5837824B2 - 材料を切断する方法および製品 - Google Patents
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関連出願の相互参照
本願は、２００９年２月３日に出願された米国仮特許出願第６１／１４９，６１９号の出願日の利益を主張し、この特許の開示は、参照により本明細書に組み込むものとする。
本願は、２００９年２月３日に出願された米国仮特許出願第６１／１４９，６１９号の出願日の利益を主張し、この特許の開示は、参照により本明細書に組み込むものとする。
本開示は、材料を切断する方法に関し、この方法は、比較的延性のある鉄系ガラス形成材料から形成されたワイヤの使用を含む。
ワイヤソー用に利用される既存のワイヤは、通常、１４０μｍ〜３８０μｍの範囲の比較的細いワイヤ径を得るために深く引き抜くことが可能な、比較的伸張性の高い鋼で作製することができる。ワイヤ径の下限は、従来のワイヤ引き抜き加工の段階数および段階の実用性と、加工硬化によって低下する延性を有意なレベルにする能力とによって限定され得る。ワイヤカッティングソーには、スラリー砥粒ワイヤソーまたはダイヤモンドワイヤソーなどの２つの異なる種類があり得る。スラリー砥粒ワイヤ切断では、裸の鋼ワイヤまたは真ちゅうをコーティングした鋼ワイヤを、ＳｉＣなどの比較的多種類の砥粒が含まれ得るスラリー砥粒と組み合わせて利用することができる。比較的高速で動くワイヤは、液体スラリー中の砥粒と接触することができ、その砥粒をワイヤと基板との間に捕捉することができて、結果的に基板が切断される。ダイヤモンドワイヤ切断では、鋼ワイヤは、ワイヤ母材として使用することができ、次いで、粒径が１０μｍ〜１２０μｍのダイヤモンドを含浸された電解銅シートをコーティングされる。次いで、ワイヤを補強するために、ワイヤ全体にニッケルを重ねてコーティングすることができる。当然ではあるが、鋼母材ワイヤは、ワイヤ径全体を限定する１つの因子であり、含浸銅およびニッケルコーティングが直径に加わる。スラリー砥粒ワイヤ切断技術とダイヤモンドワイヤ切断技術との間にはいくつかの利点および欠点が存在し得る。ウェハ切断の場合、ダイヤモンドコートワイヤは、蛇行することがあるスラリー砥粒切断と比較して切断が高精度であるといった利点をもたらすことができる。あるいは、スラリー砥粒切断は、ダイヤモンドワイヤ切断と比較して下側縁部の欠けに関して利点があり、したがって、スラリー砥粒ワイヤ切断は、一般的に大直径のシリコンインゴットを切断する際に使用されると思われる。
シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、石英、ガラスなどを含む高価な材料の場合、切断時の材料損失、すなわち切溝損失は重大であり得る。切断時の総切溝損失における１つの主因子が、利用するワイヤ径である場合があり、ワイヤ径が小さくなるほど切溝損失を小さくすることができる。シリコンウェハに関する下記の事例は、マイクロエレクトロニクスおよび光電池産業におけるシリコンのこれらの損失値を示している。
すなわち、シリコンウェハ加工に対する１つの重要なコスト因子として、切断時の材料損失、すなわち、切溝損失を挙げることができる。原料の価格は上昇しており、ウェハの厚さは薄くなっているので、切溝損失はますます重要な因子になってきた。現在のワイヤ技術の場合、切溝厚さ損失は、最終的に厚さで１５０μｍまで下げることができると考えられている。さらに、この損失は、ウェハサイズの縮小とともにますます重要になっている。例えば、産業用太陽電池の場合、２００４年において平均厚さは３３０μｍであったが、２００７年までに平均ウェハ厚さが２１０μｍになった。さらに、シリコンの切り屑が、ワイヤおよびＳｉＣ砥粒からの鉄を含めた不純物を含有するポリエチレングリコール液を用いたスラリー内に存在するので、シリコンの切り屑の再生利用は課題である。
２００６年において、世界全体のポリシリコン生産能力は３７，５００トンであった。すべてのポリシリコン原料の７０％は、使用可能なシリコンインゴットになり、結果的に２６，２５０トンが生産されると推定されている。ウェハ切断加工での平均切溝損失は３５％であると推定され、シリコン屑の総計は９，１８８トンになる。２００６年において、シリコン１ポンド当たりの平均価格は、種類に応じて大きく変わり、公表された価格は、次の通り、ソーラーポリ価格が３６．３ドル／ｌｂ、半導体ＣＺ価格が２７．２１ドル／ｌｂ、半導体ＦＺ価格が９０．７０ドル／ｌｂ、および供給性で決まるスポット市場価格が１３６．０５ドル／ｌｂであった。上記の価格に基づく低めの見積もりでは、マイクロエレクトロニクスグレードのシリコンの価値に見合った原価は５５ドル／ｌｂである。したがって、切り屑の年間を通した貨幣価値は、年当たり１０．１億ドルと推定できる。さらに、マイクロエレクトロニクスグレードのシリコンの製造は、比較的エネルギー集約的であり、溶融物から結晶を抽出および純化し、成長させるために、引き続き高温に保つことが必要である。電子エネルギーの使用は、シリコンインゴット１トン当たり９０．７ＭＷ時であると推定されている。前述のように、ウェハ切断加工での平均切溝損失は９，１８８トンである。したがって、無駄になったシリコンの総エネルギー損失は８３３，３５２ＭＷ時である。電気の平均コストの概算をＭＷ時当たり１０．００ドルとみなすと、この場合、無駄になった総電気コストは年当たり８．３億ドルである。
本開示の態様は、鉄系ガラス形成合金を含むことができるワイヤに関する。合金は、４３．０原子パーセント〜６８．０原子パーセントの範囲で存在する鉄と、１２．０原子パーセント〜１９．０原子パーセントの範囲で存在するホウ素と、１５．０原子パーセント〜１７．０原子パーセントの範囲で存在するニッケルと、２．０原子パーセント〜２１．０原子パーセントの範囲で存在するコバルトと、選択的に０．１原子パーセント〜６．０原子パーセントの範囲で存在する炭素と、選択的に０．４原子パーセント〜４．０原子パーセントの範囲で存在するシリコンとを含むことができる。ワイヤは、１４０μｍ以下の厚さを有することができ、スピノーダルガラスマトリックス微細成分を含むことができる。
本開示の別の態様は、基板を切断する方法に関する。その方法は、鉄系ガラス形成合金を含むワイヤを用いて基板を削ることを含むことができる。合金は、４３．０原子パーセント〜６８．０原子パーセントの範囲で存在する鉄と、１２．０原子パーセント〜１９．０原子パーセントの範囲で存在するホウ素と、１５．０原子パーセント〜１７．０原子パーセントの範囲で存在するニッケルと、２．０原子パーセント〜２１．０原子パーセントの範囲で存在するコバルトと、選択的に０．１原子パーセント〜６．０原子パーセントの範囲で存在する炭素と、選択的に０．４原子パーセント〜４．０原子パーセントの範囲で存在するシリコンとを含むことができる。ワイヤは、１４０μｍ以下の厚さを有することができ、スピノーダルガラスマトリックス微細成分を含むことができる。
本発明のさらなる態様は、ワイヤを形成する方法に関する。その方法は、元素成分を溶融して鉄系ガラス形成合金を用意するステップと、鉄系ガラス形成合金から厚さが１４０μｍ以下のワイヤを形成するステップとを有することができ、ワイヤはスピノーダルガラスマトリックス微細成分を含む。合金は、４３．０原子パーセント〜６８．０原子パーセントの範囲で存在する鉄と、１２．０原子パーセント〜１９．０原子パーセントの範囲で存在するホウ素と、１５．０原子パーセント〜１７．０原子パーセントの範囲で存在するニッケルと、２．０原子パーセント〜２１．０原子パーセントの範囲で存在するコバルトと、選択的に０．１原子パーセント〜６．０原子パーセントの範囲で存在する炭素と、選択的に０．４原子パーセント〜４．０原子パーセントの範囲で存在するシリコンとを含むことができる。
添付の図面と併用される、本明細書に記載の実施形態に関する下記の説明を参照することで、本開示の上記のおよび他の特徴、ならびにこれらの特徴をもたらす態様をさらに明らかにすることができ、より深く理解することができる。
本開示は、鉄系ガラス形成合金で形成されたワイヤを使用するための組成、方法、およびプロセスに関する。そのようなワイヤは、径を比較的細くすることができ、その結果、切溝の切り屑が比較的少なくなる。ガラス系形成合金は鉄合金と解釈することができ、その合金は、比較的非晶質であってよいし、またはランダムに互いにまとまることができる、固相における構造単位の結合体と解釈できるミクロ組織もしくはナノ組織の形をとってもよい。一部の例では、ミクロ組織またはナノ組織は、すべての値および増分をその範囲内に含む、１体積％〜１００体積％の範囲の合金組成で存在することができる。別の例では、ガラスは、すべての値および増分をその範囲内に含む、１体積％〜９０体積％の範囲の合金組成で存在することができる。比較的非晶質の合金または合金断片は、原子レベルで規則性を示すことがほとんどできないか、または全くできない。ミクロ組織またはナノ組織は、すべての値および増分をその範囲内に含む、０．１ｎｍ〜１．０μｍの範囲の粒径とすることができる。
さらに、合金は、比較的大きな延性および比較的高い引張り強度を示すことができるスピノーダルガラスマトリックス微細成分（ＳＧＭＭ）構造を形成することができる。スピノーダル微細成分は、核形成制御されない転移機構によって形成される微小成分と解釈することができる。さらに基本的に言えば、スピノーダル分解は、合金の２つ以上の成分（例えば、金属組成物）の溶液が、明らかに異なる化学組成および物理特性を有する異なる領域（または相）に分離することができる機構と解釈することができる。この機構は、相分離が材料全体にわたって一様に起こり、離散した核形成部に限らないという点で従来の核形成とは異なる。したがって、化学的変動により、少なくとも１つの異なる結晶相が得られるまで、１つまたは複数の半結晶群または結晶相が、局所レベルでの原子の連続拡散によって生じ得る。半結晶群とは、本明細書では、最大直線寸法が２ｎｍ以下であるものと解釈することができ、一方、結晶群は、最大直線寸法が２ｎｍを超えることができる。なお、スピノーダル分解の初期段階時に、形成された群が比較的小さい場合があり、それらの化学組成はガラスマトリックスとは異なるが、これらの群はまだ完全に結晶化しておらず、まだ十分に規則的な結晶周期性を獲得していない。新たに加わった結晶相は、同じ結晶構造か、または異なる結晶構造を示すことができる。さらに、ガラスマトリックスが、ランダムに互いにまとまることができる、固相における構造単位の結合体の形をとり得るミクロ組織を含むと解釈することができる。構造単位の微細化または粒径のレベルは、オングストローム程度の範囲（すなわち、５Å〜１００Å）であり得る。
したがって、本開示は、それらに限定するものではないが、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、石英、ガラスなどを含む比較的高価値の材料をインゴット、クリスタル、ウェハ、薄くスライスしたものなどに切断し、結果として、比較的低い切断損失が得られ、ひいては、材料の利用を改善することができ、製造コストを削減することができる切断方法に関する。この手法では、太さ（すなわち直径）が１μｍ〜１４０μｍの比較的細いマイクロワイヤを、液体溶融物から直接ワイヤを形成できるプロセスで製造することができる。ワイヤの製造は、キャスティングプロセスまたはＴａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙワイヤ製造プロセスを比較的高延性の鉄系ガラス形成合金化学組成物と組み合わせて利用することで行い、それによって、１ＧＰａ以上の比較的高い引張り強度と、１．５％以上の引張り伸びを兼ね備え得るワイヤを製造することができると考えられる。
製造されるワイヤは、最大で１０００キロメートルの長さを有することを企図される。より具体的には、ワイヤは、すべての値および増分をその範囲内に含む、５００メートル以上の範囲の長さを有することができる。例えば、ワイヤは、すべての値および増分をその中に含む、１キロメートル〜５００キロメートルの長さを０．５キロメートルのばらつきで有することができる。この場合に、ワイヤは、単一ワイヤソーまたは多ワイヤソーで利用することができ、スライスされる加工物は、一方の側から他方の側に巻き付けることができるワイヤウェブに押し込むことができる。例えば、最大で１メートルの長さを有するシリコンピラーは、多ワイヤソー装置で処理すると、単一稼働で数千のウェハにスライスすることができる。しかし、本発明は、スライスするためにワイヤを単独で使用することを企図しており、そのような多ワイヤソー構成での使用に限定されるものではない。
合金は、所与の範囲内にすべての増分および値を含む、４３．０ａｔ％（原子パーセント）〜６８．０ａｔ％の範囲の鉄と、１２．０ａｔ％〜１９．０ａｔ％の範囲のホウ素と、１５．０ａｔ％〜１７．０ａｔ％の範囲のニッケルと、２．０ａｔ％〜２１．０ａｔ％の範囲のコバルトとを含むか、基本的にこれらからなるか、またはこれらからなることができる。合金はまた、選択的に、所要の範囲内にすべての増分および値を含む、０．１ａｔ％〜６．０ａｔ％の範囲で存在する炭素、および０．４原子パーセント〜４．０原子パーセントの範囲で存在するシリコンを含むことができる。したがって、当然ながら、鉄は、４３．０ａｔ％、４３．１ａｔ％、４３．２ａｔ％、４３．３ａｔ％、４３．４ａｔ％、４３．５ａｔ％、４３．６ａｔ％、４３．７ａｔ％、４３．８ａｔ％、４３．９ａｔ％、４４．０ａｔ％、４４．１ａｔ％、４４．２ａｔ％、４４．３ａｔ％、４４．４ａｔ％、４４．５ａｔ％、４４．６ａｔ％、４４．７ａｔ％、４４．８ａｔ％、４４．９ａｔ％、４５．０ａｔ％、４５．１ａｔ％、４５．２ａｔ％、４５．３ａｔ％、４５．４ａｔ％、４５．５ａｔ％、４５．６ａｔ％、４５．７ａｔ％、４５．８ａｔ％、４５．９ａｔ％、４６．０ａｔ％、４６．１ａｔ％、４６．２ａｔ％、４６．３ａｔ％、４６．４ａｔ％、４６．５ａｔ％、４６．６ａｔ％、４６．７ａｔ％、４６．８ａｔ％、４６．９ａｔ％、４７．０ａｔ％、４７．１ａｔ％、４７．２ａｔ％、４７．３ａｔ％、４７．４ａｔ％、４７．５ａｔ％、４７．６ａｔ％、４７．７ａｔ％、４７．８ａｔ％、４７．９ａｔ％、４８．０ａｔ％、４８．１ａｔ％、４８．２ａｔ％、４８．３ａｔ％、４８．４ａｔ％、４８．５ａｔ％、４８．６ａｔ％、４８．７ａｔ％、４８．８ａｔ％、４８．９ａｔ％、４９．０ａｔ％、４９．１ａｔ％、４９．２ａｔ％、４９．３ａｔ％、４９．４ａｔ％、４９．５ａｔ％、４９．６ａｔ％、４９．７ａｔ％、４９．８ａｔ％、４９．９ａｔ％、５０．０ａｔ％、５０．１ａｔ％、５０．２ａｔ％、５０．３ａｔ％、５０．４ａｔ％、５０．５ａｔ％、５０．６ａｔ％、５０．７ａｔ％、５０．８ａｔ％、５０．９ａｔ％、５１．０ａｔ％、５１．１ａｔ％、５１．２ａｔ％、５１．３ａｔ％、５１．４ａｔ％、５１．５ａｔ％、５１．６ａｔ％、５１．７ａｔ％、５１．８ａｔ％、５１．９ａｔ％、５２．０ａｔ％、５２．１ａｔ％、５２．２ａｔ％、５２．３ａｔ％、５２．４ａｔ％、５２．５ａｔ％、５２．６ａｔ％、５２．７ａｔ％、５２．８ａｔ％、５２．９ａｔ％、５３．０ａｔ％、５３．１ａｔ％、５３．２ａｔ％、５３．３ａｔ％、５３．４ａｔ％、５３．５ａｔ％、５３．６ａｔ％、５３．７ａｔ％、５３．８ａｔ％、５３．９ａｔ％、５４．０ａｔ％、５４．１ａｔ％、５４．２ａｔ％、５４．３ａｔ％、５４．４ａｔ％、５４．５ａｔ％、５４．６ａｔ％、５４．７ａｔ％、５４．８ａｔ％、５４．９ａｔ％、５５．０ａｔ％、５５．１ａｔ％、５５．２ａｔ％、５５．３ａｔ％、５５．４ａｔ％、５５．５ａｔ％、５５．６ａｔ％、５５．７ａｔ％、５５．８ａｔ％、５５．９ａｔ％、５６．０ａｔ％、５６．１ａｔ％、５６．２ａｔ％、５６．３ａｔ％、５６．４ａｔ％、５６．５ａｔ％、５６．６ａｔ％、５６．７ａｔ％、５６．８ａｔ％、５６．９ａｔ％、５７．０ａｔ％、５７．１ａｔ％、５７．２ａｔ％、５７．３ａｔ％、５７．４ａｔ％、５７．５ａｔ％、５７．６ａｔ％、５７．７ａｔ％、５７．８ａｔ％、５７．９ａｔ％、５８．０ａｔ％、５８．１ａｔ％、５８．２ａｔ％、５８．３ａｔ％、５８．４ａｔ％、５８．５ａｔ％、５８．６ａｔ％、５８．７ａｔ％、５８．８ａｔ％、５８．９ａｔ％、５９．０ａｔ％、５９．１ａｔ％、５９．２ａｔ％、５９．３ａｔ％、５９．４ａｔ％、５９．５ａｔ％、５９．６ａｔ％、５９．７ａｔ％、５９．８ａｔ％、５９．９ａｔ％、６０．０ａｔ％、６０．１ａｔ％、６０．２ａｔ％、６０．３ａｔ％、６０．４ａｔ％、６０．５ａｔ％、６０．６ａｔ％、６０．７ａｔ％、６０．８ａｔ％、６０．９ａｔ％、６１．０ａｔ％、６１．１ａｔ％、６１．２ａｔ％、６１．３ａｔ％、６１．４ａｔ％、６１．５ａｔ％、６１．６ａｔ％、６１．７ａｔ％、６１．８ａｔ％、６１．９ａｔ％、６２．０ａｔ％、６２．１ａｔ％、６２．２ａｔ％、６２．３ａｔ％、６２．４ａｔ％、６２．５ａｔ％、６２．６ａｔ％、６２．７ａｔ％、６２．８ａｔ％、６２．９ａｔ％、６３．０ａｔ％、６３．１ａｔ％、６３．２ａｔ％、６３．３ａｔ％、６３．４ａｔ％、６３．５ａｔ％、６３．６ａｔ％、６３．７ａｔ％、６３．８ａｔ％、６３．９ａｔ％、６４．０ａｔ％、６４．１ａｔ％、６４．２ａｔ％、６４．３ａｔ％、６４．４ａｔ％、６４．５ａｔ％、６４．６ａｔ％、６４．７ａｔ％、６４．８ａｔ％、６４．９ａｔ％、６５．０ａｔ％、６５．１ａｔ％、６５．２ａｔ％、６５．３ａｔ％、６５．４ａｔ％、６５．５ａｔ％、６５．６ａｔ％、６５．７ａｔ％、６５．８ａｔ％、６５．９ａｔ％、６６．０ａｔ％、６６．１ａｔ％、６６．２ａｔ％、６６．３ａｔ％、６６．４ａｔ％、６６．５ａｔ％、６６．６ａｔ％、６６．７ａｔ％、６６．８ａｔ％、６６．９ａｔ％、６７．０ａｔ％、６７．１ａｔ％、６７．２ａｔ％、６７．３ａｔ％、６７．４ａｔ％、６７．５ａｔ％、６７．６ａｔ％、６７．７ａｔ％、６７．８ａｔ％、６７．９ａｔ％、６８．０ａｔ％の値で存在し得る。ホウ素は、１２．０ａｔ％、１２．１ａｔ％、１２．２ａｔ％、１２．３ａｔ％、１２．４ａｔ％、１２．５ａｔ％、１２．６ａｔ％、１２．７ａｔ％、１２．８ａｔ％、１２．９ａｔ％、１３．０ａｔ％、１３．１ａｔ％、１３．２ａｔ％、１３．３ａｔ％、１３．４ａｔ％、１３．５ａｔ％、１３．６ａｔ％、１３．７ａｔ％、１３．８ａｔ％、１３．９ａｔ％、１４．０ａｔ％、１４．１ａｔ％、１４．２ａｔ％、１４．３ａｔ％、１４．４ａｔ％、１４．５ａｔ％、１４．６ａｔ％、１４．７ａｔ％、１４．８ａｔ％、１４．９ａｔ％、１５．０ａｔ％、１５．１ａｔ％、１５．２ａｔ％、１５．３ａｔ％、１５．４ａｔ％、１５．５ａｔ％、１５．６ａｔ％、１５．７ａｔ％、１５．８ａｔ％、１５．９ａｔ％、１６．０ａｔ％、１６．１ａｔ％、１６．２ａｔ％、１６．３ａｔ％、１６．４ａｔ％、１６．５ａｔ％、１６．６ａｔ％、１６．７ａｔ％、１６．８ａｔ％、１６．９ａｔ％、１７．０ａｔ％、１７．１ａｔ％、１７．２ａｔ％、１７．３ａｔ％、１７．４ａｔ％、１７．５ａｔ％、１７．６ａｔ％、１７．７ａｔ％、１７．８ａｔ％、１７．９ａｔ％、１８．０ａｔ％、１８．１ａｔ％、１８．２ａｔ％、１８．３ａｔ％、１８．４ａｔ％、１８．５ａｔ％、１８．６ａｔ％、１８．７ａｔ％、１８．８ａｔ％、１８．９ａｔ％、１９．０ａｔ％で存在し得る。ニッケルは、１５．０ａｔ％、１５．１ａｔ％、１５．２ａｔ％、１５．３ａｔ％、１５．４ａｔ％、１５．５ａｔ％、１５．６ａｔ％、１５．７ａｔ％、１５．８ａｔ％、１５．９ａｔ％、１６．０ａｔ％、１６．１ａｔ％、１６．２ａｔ％、１６．３ａｔ％、１６．４ａｔ％、１６．５ａｔ％、１６．６ａｔ％、１６．７ａｔ％、１６．８ａｔ％、１６．９ａｔ％、１７．０ａｔ％で存在し得る。コバルトは、２．０ａｔ％、２．１ａｔ％、２．２ａｔ％、２．３ａｔ％、２．４ａｔ％、２．５ａｔ％、２．６ａｔ％、２．７ａｔ％、２．８ａｔ％、２．９ａｔ％、３．０ａｔ％、３．１ａｔ％、３．２ａｔ％、３．３ａｔ％、３．４ａｔ％、３．５ａｔ％、３．６ａｔ％、３．７ａｔ％、３．８ａｔ％、３．９ａｔ％、４．０ａｔ％、４．１ａｔ％、４．２ａｔ％、４．３ａｔ％、４．４ａｔ％、４．５ａｔ％、４．６ａｔ％、４．７ａｔ％、４．８ａｔ％、４．９ａｔ％、５．０ａｔ％、５．１ａｔ％、５．２ａｔ％、５．３ａｔ％、５．４ａｔ％、５．５ａｔ％、５．６ａｔ％、５．７ａｔ％、５．８ａｔ％、５．９ａｔ％、６．０ａｔ％、６．１ａｔ％、６．２ａｔ％、６．３ａｔ％、６．４ａｔ％、６．５ａｔ％、６．６ａｔ％、６．７ａｔ％、６．８ａｔ％、６．９ａｔ％、７．０ａｔ％、７．１ａｔ％、７．２ａｔ％、７．３ａｔ％、７．４ａｔ％、７．５ａｔ％、７．６ａｔ％、７．７ａｔ％、７．８ａｔ％、７．９ａｔ％、８．０ａｔ％、８．１ａｔ％、８．２ａｔ％、８．３ａｔ％、８．４ａｔ％、８．５ａｔ％、８．６ａｔ％、８．７ａｔ％、８．８ａｔ％、８．９ａｔ％、９．０ａｔ％、９．１ａｔ％、９．２ａｔ％、９．３ａｔ％、９．４ａｔ％、９．５ａｔ％、９．６ａｔ％、９．７ａｔ％、９．８ａｔ％、９．９ａｔ％、１０．０ａｔ％、１０．１ａｔ％、１０．２ａｔ％、１０．３ａｔ％、１０．４ａｔ％、１０．５ａｔ％、１０．６ａｔ％、１０．７ａｔ％、１０．８ａｔ％、１０．９ａｔ％、１１．０ａｔ％、１１．１ａｔ％、１１．２ａｔ％、１１．３ａｔ％、１１．４ａｔ％、１１．５ａｔ％、１１．６ａｔ％、１１．７ａｔ％、１１．８ａｔ％、１１．９ａｔ％、１２．０ａｔ％、１２．１ａｔ％、１２．２ａｔ％、１２．３ａｔ％、１２．４ａｔ％、１２．５ａｔ％、１２．６ａｔ％、１２．７ａｔ％、１２．８ａｔ％、１２．９ａｔ％、１３．０ａｔ％、１３．１ａｔ％、１３．２ａｔ％、１３．３ａｔ％、１３．４ａｔ％、１３．５ａｔ％、１３．６ａｔ％、１３．７ａｔ％、１３．８ａｔ％、１３．９ａｔ％、１４．０ａｔ％、１４．１ａｔ％、１４．２ａｔ％、１４．３ａｔ％、１４．４ａｔ％、１４．５ａｔ％、１４．６ａｔ％、１４．７ａｔ％、１４．８ａｔ％、１４．９ａｔ％、１５．０ａｔ％、１５．１ａｔ％、１５．２ａｔ％、１５．３ａｔ％、１５．４ａｔ％、１５．５ａｔ％、１５．６ａｔ％、１５．７ａｔ％、１５．８ａｔ％、１５．９ａｔ％、１６．０ａｔ％、１６．１ａｔ％、１６．２ａｔ％、１６．３ａｔ％、１６．４ａｔ％、１６．５ａｔ％、１６．６ａｔ％、１６，７ａｔ％、１６．８ａｔ％、１６．９ａｔ％、１７．０ａｔ％、１７．１ａｔ％、１７．２ａｔ％、１７．３ａｔ％、１７．４ａｔ％、１７．５ａｔ％、１７．６ａｔ％、１７．７ａｔ％、１７．９ａｔ％、１７．９ａｔ％、１８．０ａｔ％、１８．１ａｔ％、１８．２ａｔ％、１８．３ａｔ％、１８．４ａｔ％、１８．５ａｔ％、１８．６ａｔ％、１８．７ａｔ％、１８．８ａｔ％、１８．９ａｔ％、１９．０ａｔ％、１９．１ａｔ％、１９．２ａｔ％、１９．３ａｔ％、１９．４ａｔ％、１９．５ａｔ％、１９．６ａｔ％、１９．７ａｔ％、１９．８ａｔ％、１９．９ａｔ％、２０．０ａｔ％、２０．１ａｔ％、２０．２ａｔ％、２０．３ａｔ％、２０．４ａｔ％、２０．５ａｔ％、２０．６ａｔ％、２０．７ａｔ％、２０．８ａｔ％、２０．９ａｔ％、２１．０ａｔ％で存在し得る。炭素は、０．０ａｔ％、０．１ａｔ％、０．２ａｔ％、０．３ａｔ％、０．４ａｔ％、０．５ａｔ％、０．６ａｔ％、０．７ａｔ％、０．８ａｔ％、０．９ａｔ％、１．０ａｔ％、１．１ａｔ％、１．２ａｔ％、１．３ａｔ％、１．４ａｔ％、１．５ａｔ％、１．６ａｔ％、１．７ａｔ％、１．８ａｔ％、１．９ａｔ％、２．０ａｔ％、２．１ａｔ％、２．２ａｔ％、２．３ａｔ％、２．４ａｔ％、２．５ａｔ％、２．６ａｔ％、２．７ａｔ％、２．８ａｔ％、２．９ａｔ％、３．０ａｔ％、３．１ａｔ％、３．２ａｔ％、３．３ａｔ％、３．４ａｔ％、３．５ａｔ％、３．６ａｔ％、３．７ａｔ％、３．８ａｔ％、３．９ａｔ％、４．０ａｔ％、４．１ａｔ％、４．２ａｔ％、４．３ａｔ％、４．４ａｔ％、４．５ａｔ％、４．６ａｔ％、４．７ａｔ％、４．８ａｔ％、４．９ａｔ％、５．０ａｔ％、５．１ａｔ％、５．２ａｔ％、５．３ａｔ％、５．４ａｔ％、５．５ａｔ％、５．６ａｔ％、５．７ａｔ％、５．８ａｔ％、５．９ａｔ％、６．０ａｔ％で存在し得る。シリコンは、０．０ａｔ％、０．４ａｔ％、０．５ａｔ％、０．６ａｔ％、０．７ａｔ％、０．８ａｔ％、０．９ａｔ％、１．０ａｔ％、１．１ａｔ％、１．２ａｔ％、１．３ａｔ％、１．４ａｔ％、１．５ａｔ％、１．６ａｔ％、１．７ａｔ％、１．８ａｔ％、１．９ａｔ％、２．０ａｔ％、２．１ａｔ％、２．２ａｔ％、２．３ａｔ％、２．４ａｔ％、２．５ａｔ％、２
．６ａｔ％、２．７ａｔ％、２．８ａｔ％、２．９ａｔ％、３．０ａｔ％、３．１ａｔ％、３．２ａｔ％、３．３ａｔ％、３．４ａｔ％、３．５ａｔ％、３．６ａｔ％、３．７ａｔ％、３．８ａｔ％、３．９ａｔ％、４．０ａｔ％で存在し得る。
．６ａｔ％、２．７ａｔ％、２．８ａｔ％、２．９ａｔ％、３．０ａｔ％、３．１ａｔ％、３．２ａｔ％、３．３ａｔ％、３．４ａｔ％、３．５ａｔ％、３．６ａｔ％、３．７ａｔ％、３．８ａｔ％、３．９ａｔ％、４．０ａｔ％で存在し得る。
当然ながら、合金は、最大で１００ａｔ％のレベルで元素成分を含むことができる。さらに、当然ながら、すべての値および増分をその範囲内に含む、０．１ａｔ％〜５．０ａｔ％の範囲など、最大で５ａｔ％を含む、ある程度の量の不純物が合金組成物内に存在し得る。合金はまた、工業用純度、高純度、および／または超高純度の原料を使用して調製することができる。
ガラス形成金属合金の化学組成物は、１つまたは複数の、ガラスから結晶への転移を示すことができる。例えば、ガラス形成化学組成物は、１０℃／分の加熱速度でＤＴＡまたはＤＳＣで測定して、すべての値および増分をその範囲内に含む、３６０℃〜５１０℃の範囲内の温度で第１の初期ガラスから結晶への転移を示すことができる。第１のガラスから結晶への転移ピーク温度は、１０℃／分の加熱速度でＤＴＡまたはＤＳＣで測定して、すべての値および増分をその範囲内に含む、４００℃〜５４０℃の範囲内で示すことができる。さらに、一部の例では、ガラス形成化学組成物は、１０℃／分の加熱速度でＤＴＡまたはＤＳＣで測定して、すべての値および増分をその範囲内に含む、４４０℃〜６１０℃の範囲内の温度で第２の初期ガラスから結晶への転移を示すことができる。第２のガラスから結晶への転移ピーク温度は、１０℃／分の加熱速度でＤＴＡまたはＤＳＣで測定して、すべての値および増分をその範囲内に含む、４５０℃〜６２０℃の範囲内で示すことができる。
ガラス形成化学組成物はまた、すべての値および増分をその中に含む、１，０００，０００Ｋ／秒以下の臨界冷却速度を示すことができる。例えば、臨界冷却速度は、１００Ｋ／秒〜１，０００，０００Ｋ／秒の範囲をとることができる。臨界冷却速度は、原子レベルでの規則性化またはさらなる結晶化などの望ましくない転移を防止するのに最低限必要な連続冷却の最小速度と解釈することができる。
上記のように、本明細書において、合金は、溶融紡糸、またはワイヤにガラスをコーティングするＴａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙプロセスなどの種々のキャスティング法によって様々な幾何形状を有するワイヤに形成することができる。当然ではあるが、得られるワイヤの形状は、利用するプロセスに応じて変わり得る。例えば、ワイヤは、厚さ、幅、および長さを有する比較的偏平形状の断面、および／または直径を有する比較的円形の断面を示すことができる。
鉄系ガラス形成合金を形成するために元素成分を用意することができ、これを溶融することができる。溶融は、アーク溶融システム、または誘導炉などの他の溶融システムで行うことができる。さらに、溶融およびさらなる処理は、アルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガス中で行うことができる。次いで、元素成分をインゴットに形成することができる。均質性を改善するために、インゴットを再処理するか、または何度か反転させながら再溶融することができる。次いで、例えば、結果的に得られるワイヤの所望の形状によって決まり得る、いくつかのプロセスのうちの１つを使用して、インゴットをワイヤに形成することができる。
ワイヤを製造する１つの方法として、溶融紡糸プロセス、すなわち、ガス圧を使用して、高速で動いている銅製または他の熱伝導性ホイール上に液体溶融物を射出することができるジェットキャスティングプロセスを挙げることができる。ホイールは、キャスティングプロセス中に、すべての値および増分をその中に含む、秒当たり５メートル〜３９メートルの接線速度で動くことができる。さらに、溶融紡糸は、分圧または全圧、すなわち、すべての値および増分をその中に含む、１／１０気圧〜１気圧の、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガス中で行うことができる。したがって、比較的長い、連続した平ワイヤ（リボンとも呼ばれる）を生成することができ、この平ワイヤは、溶融紡糸材料の粘度、表面張力、およびホイールの接線方向速度に応じて、０．１ｍｍ〜２ｍｍまたは１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内などの２ｍｍ以下の幅、および１５μｍ〜１４０μｍの厚さとすることができる。当然ながら、別の変形型として、ガス圧を使用して、熱伝導性ホイール上ではなくて、回転中の液体急冷器内に液体溶融物を射出できる、変更した溶融紡糸技術を含むことができるワイヤキャスティングプロセスを挙げることができる。得られた生成物は、２０μｍ〜１４０μｍの太さの直径をなすことができる、凹凸のある円形断面の比較的連続したワイヤを形成することができる。
Ｔａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙワイヤキャスティングプロセスと呼ばれる別のプロセスを使用して、直径が比較的小さい円形断面のワイヤを製造することができる。このワイヤ製造プロセスでは、粉末、インゴット、またはワイヤ／リボンの形態の金属原料を、一方の端部が閉じられ得る、通常はホウ珪酸塩組成物のガラス管内に保持することができる。次いで、管のこの端部を加熱して、金属部分が液体状態になり、一方、ガラスは軟化できるが溶融できない温度までガラスを軟化させることができる。次いで、液体溶融物を内包するガラスを適切な引き抜き条件で引き抜き加工することができ、溶融した金属は、ガラス毛細管を埋めることができ、金属コア部がガラスシェルで完全にコーティングされ得るワイヤを形成することができる。プロセスで使用されるガラスの量は、誘導機領域を通るガラス管を連続して供給することで補うことができ、それに対して、金属コアの形成は、ワイヤを製造するときに原料を補給しない限り、鉄系合金液滴の初期量によって制限され得る。代替の方法として、ロッドの形態の鉄系合金を供給するものがあり得る。この場合、半連続的な、または連続的な態様でロッドを溶融領域に供給して、通常は５００ｍよりも長くすることができる長いワイヤ長の製造を可能にすることができる。
Ｔａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙプロセス中に形成されるワイヤのミクロ組織は冷却速度によって決まり、この冷却速度は、例えば、ワイヤの移動時に水冷却するか、または水冷却しないかで制御することができる。厚さを２μｍ〜２０μｍとすることができるガラスコーティングを有する、１μｍ〜１４０μｍの範囲内の金属コア部が、この方法による製造で企図される。また、用途の必要性に応じて、ガラスコーティングを機械的に除去するか、または酸で溶かすなどの化学的な方法で除去することができる。
得られたワイヤは、すべての値および増分をその範囲内に含む、１μｍ〜１３９μｍの範囲内などの１４０μｍ以下の厚さまたは直径を示すことができる。例えば、比較的偏平なワイヤは、２０μｍ〜１４０μｍの範囲内の厚さと、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内の幅とを有することができ、比較的丸いワイヤは、１μｍ〜１４０μｍ、または３μｍ〜５０μｍの範囲内の直径を示すことができる。
単一ストランドのワイヤを撚ることができ、または、２ストランド〜１００ストランドの範囲内にすべての値および増分を含む、３ストランド、７ストランドなどのいくつかのワイヤを一緒に撚ることもできる。さらに、複数のワイヤを互いに編み組みするか、または織ることができる。撚りまたは編み組みは、張力をかけて、引張り歪みおよび／またはねじれ歪みを生じさせながら行うことができる。
ワイヤはまた、Ｔａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙプロセスで供給され得るようなガラスをコーティングすることができる。さらなる例では、ワイヤは、ダイヤモンドなどの比較的硬質の粒子をコーティングするか、または含浸させることができる。粒子のワイヤへの含浸は、ワイヤのキャスティング前の成形プロセス時に、鉄系ガラス形成合金のインゴットの成形の間に行うことができる。粒子は、ワイヤ形成後にワイヤにコーティングされてもよく、粒子をワイヤに接着する、ニッケル系、クロム系、銅系、亜鉛系、またはアルミニウム系コーティングなどのコーティングを含むことができる。一部の例では、硬質粒子はモース硬度が７以上であり、このモース硬度は、切断される基板の材料によって決まる、すなわち、その材料に基づいて選択することができる。硬質粒子には、ダイヤモンド、Ｂ４Ｃ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、およびそれらの組み合わせがあり得る。
一部の例では、ワイヤは、室温および歪み速度０．００１ｓ−１で測定して、すべての値および増分をその範囲内に含む、１ＧＰａ〜４ＧＰａの範囲内など、１ＧＰａを超える引張り強度を示すことができる。比較的偏平のワイヤは、室温および歪み速度０．００１ｓ−１で測定して、すべての値および増分をその範囲内に含む、１．５ＧＰａ〜４ＧＰａの範囲内など、１．５ＧＰａを超える引張り強度を示すことができる。他の例では、９０本のワイヤからなるワイヤ束を一緒に撚った場合、この比較的丸いガラスコートワイヤは、室温および歪み速度０．００１ｓ−１で測定して、すべての値および増分をその範囲内に含む、４ＧＰａ〜５ＧＰａの範囲内など、４ＧＰａを超える引張り強度を示すことができる。さらに、個々のワイヤは、すべての値および増分をその範囲内に含む、１．５％〜７％の範囲内など、１．５％以上の引張り伸びを示すことができる。一部の実施例では、１ＧＰａを超える引張り強度と１．５％以上の伸びとを兼ね備えることができる。
当然ではあるが、ワイヤを利用して、様々な基板を切断することができる。基板は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、石英、ガラスなどを含む比較的高価な材料を含むことができる。ワイヤに硬質粒子がコーティングされないスラリー砥粒ワイヤ切断、および／または本明細書で企図されるガラス形成合金から形成された母材ワイヤにダイヤモンドまたは他の硬質粒子をコーティングすることができるダイヤモンドソー切断を含む各種ワイヤ切断技術を使用することができる。
例えば、ウェハまたはフィラメントを切断するのに、本明細書で企図されるワイヤを用いたワイヤソーを使用することができる。ワイヤソーは、切断用にワイヤを利用する機械と解釈することができる。ワイヤソーは、単一ワイヤまたは一緒に撚った多ワイヤを含むことができる。基板に対してワイヤを移動させることで、砥粒を介して基板を切断することができる。図１は、基板をワイヤソーに１回通すことで、単一基板を複数の位置で切断できるワイヤソー１００の一例を示している。それらに限定するものではないが、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、石英、ガラスを含む基板１０２を加工テーブル１０４上に用意することができる。基板１０２を切断するために、ワイヤＷを供給リール１０６から複数のローラ１０８に送ることができる。ワイヤＷは、１回〜２００回の範囲内など、１つまたは複数の回数だけローラの外周に巻き付けられて、ローラのうちの少なくとも２つの間に切断領域１１２を形成することができる。ローラ１０８は、ワイヤに一定の間隔を保たせる複数の溝と、ローラ１０８の少なくとも１つを駆動する駆動モータ１１０とを含むことができる。ローラが回転すると、ワイヤは、切断領域１１２を通って、ローラ１０８上を端から端まで移動することができる。最終的にワイヤＷは切断領域１１２を出ていき、巻き取りリール１１４により巻くことができる。そのとき、基板１０２は、基板を複数のプレートまたはフィラメントに切断するために、切断領域１１２に向かって移動し、切断領域１１２を通過することができる。張力付与機構１１６、１１８は、ワイヤが切断領域１１２を通過する前後にワイヤＷの張力を調整するために設けることができる。案内部は、供給リール、張力調整機構、および／またはローラの間でワイヤを案内する助けとするために設けることができる。スラリーは、基板と接触できるように、切断領域に供給することができる。スラリーは、砥粒を含んでよいし、または含まなくてもよい。さらに、スラリーは、切断領域を潤滑および冷却することができる。企図された他のソーには、キャプスタンソー、リールツーリールソー（ｒｅｅｌ ｔｏ ｒｅｅｌ ｓａｗ）、またはフィラメントソーがあり得る。
発生する切溝の寸法は、１４０μｍ以下とすることができ、すべての値および増分をその範囲に含む、１μｍ〜１３９μｍの範囲内に収めることができる。したがって、切溝は、すべての値および増分をその中に含む、１０μｍ〜１００μｍの大きさとすることができる。さらに、本明細書において、切溝は、切断プロセス時に生成される屑と解釈することができる。切溝は切断の幅とすることができ、一部の実施形態では、切断の幅は、切断ワイヤの幅、切削時のスロップまたは砥粒、および切断部の両側から引き出された材料の量の影響を受け得る。したがって、別の見方をすると、本開示は、発生する切溝が１４０μｍ以下であり得る上記のワイヤで切断できる、ポリシリコンインゴットなどの加工物、さらには、本明細書で開示したワイヤを利用する上記のワイヤ切断手順のいずれかによって生成されるポリシリコンウェハ、ならびにワイヤに関連する合金の科学組成、および／または形態、および／または示される機械特性に関連し得る。
以下の例は、例示目的で提示されており、したがって、本明細書における本開示の範囲を限定しようとするものではない。
合金設計
工業用純度および高純度の原料を両方用い、様々な鋳造法を使用して、ガラス形成鉄系化学組成物を生成した。不活性雰囲気中および空気中の両方で処理を行った。高純度元素を使用した、対象合金の１５ｇ合金原料を表１に示す原子比率に従って計り分けた。次いで、アーク溶融システムの銅製炉床に原料を置いた。遮蔽ガスとして高純度アルゴンを使用して、原料をアーク溶融させてインゴットにした。確実に均質にするために、インゴットを数回反転させながら再溶融した。混和後、次いで、インゴットを幅約１２ｍｍ、長さ約３０ｍｍ、厚さ約８ｍｍの指状体の形態に鋳造した。
工業用純度および高純度の原料を両方用い、様々な鋳造法を使用して、ガラス形成鉄系化学組成物を生成した。不活性雰囲気中および空気中の両方で処理を行った。高純度元素を使用した、対象合金の１５ｇ合金原料を表１に示す原子比率に従って計り分けた。次いで、アーク溶融システムの銅製炉床に原料を置いた。遮蔽ガスとして高純度アルゴンを使用して、原料をアーク溶融させてインゴットにした。確実に均質にするために、インゴットを数回反転させながら再溶融した。混和後、次いで、インゴットを幅約１２ｍｍ、長さ約３０ｍｍ、厚さ約８ｍｍの指状体の形態に鋳造した。
平ワイヤの形成
比較的偏平なワイヤを生成するために、表１の合金化学組成に基づいて生成したインゴット指状体を穴径約０．８１ｍｍの石英るつぼ内の溶融紡糸チャンバに置いた。高周波誘導を使用して、１／３気圧のヘリウム雰囲気中でインゴットを溶融し、次いで、接線方向速度５ｍ／秒〜３９ｍ／秒で動いている、直径２４５ｍｍの銅製ホイール上にインゴットを射出した。その結果として生成された平ワイヤ（リボン）は、典型的には幅が約１．２５ｍｍ、厚さが２０μｍ〜１４０μｍ、長さが１０ｍ〜３０ｍの範囲内であった。この検討では、平ワイヤ速度は１０．５ｍ／秒のみとされ、厚さは概ね７０μｍ〜８０μｍの範囲内であった。１０．５ｍ／秒で処理された１つの例示的な平ワイヤ（リボン）が図２に示されている。
比較的偏平なワイヤを生成するために、表１の合金化学組成に基づいて生成したインゴット指状体を穴径約０．８１ｍｍの石英るつぼ内の溶融紡糸チャンバに置いた。高周波誘導を使用して、１／３気圧のヘリウム雰囲気中でインゴットを溶融し、次いで、接線方向速度５ｍ／秒〜３９ｍ／秒で動いている、直径２４５ｍｍの銅製ホイール上にインゴットを射出した。その結果として生成された平ワイヤ（リボン）は、典型的には幅が約１．２５ｍｍ、厚さが２０μｍ〜１４０μｍ、長さが１０ｍ〜３０ｍの範囲内であった。この検討では、平ワイヤ速度は１０．５ｍ／秒のみとされ、厚さは概ね７０μｍ〜８０μｍの範囲内であった。１０．５ｍ／秒で処理された１つの例示的な平ワイヤ（リボン）が図２に示されている。
平ワイヤの熱分析
Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＤＴＡ−７システムをオプションのＤＳＣ−７とともに使用して、固化したばかりの平ワイヤに関する熱分析を行った。加熱速度１０℃／分で示差熱分析（ＤＴＡ）および示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、超高純度アルゴンを流動させることによって試料の酸化を防止した。表２に、１０．５ｍ／秒で溶融紡糸された合金の、ガラスから結晶への転移に関するＤＳＣデータが示されている。見て分かるように、大部分の試料は、ガラスから結晶への転移を示しており、紡糸時の状態がごくわずかな金属ガラスを含むことを実証している。ガラスから結晶への転移は、３６６℃〜５０６℃の温度範囲で１段階または２段階のいずれかで起こり、転移のエンタルピは、−８．９Ｊ／ｇ〜−１７３．９Ｊ／ｇである。
Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＤＴＡ−７システムをオプションのＤＳＣ−７とともに使用して、固化したばかりの平ワイヤに関する熱分析を行った。加熱速度１０℃／分で示差熱分析（ＤＴＡ）および示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、超高純度アルゴンを流動させることによって試料の酸化を防止した。表２に、１０．５ｍ／秒で溶融紡糸された合金の、ガラスから結晶への転移に関するＤＳＣデータが示されている。見て分かるように、大部分の試料は、ガラスから結晶への転移を示しており、紡糸時の状態がごくわずかな金属ガラスを含むことを実証している。ガラスから結晶への転移は、３６６℃〜５０６℃の温度範囲で１段階または２段階のいずれかで起こり、転移のエンタルピは、−８．９Ｊ／ｇ〜−１７３．９Ｊ／ｇである。
平ワイヤの引張り特性
マイクロスケール引張り試験を使用して、室温での平ワイヤの機械特性を求めた。試験は市販のＦｕｌｌａｍ製引張りステージ内で行い、ＭＴＥＳＴ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ソフトウェアプログラムでこの引張りステージを観測および制御した。ステッピングモータにより、把持システムを介して変形を加え、一方、１つの把持ジョーの端部に連結されたロードセルで荷重を測定した。２つの把持ジョーに取り付けられた、標点距離の変化を測定する線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）を使用して変位を求めた。試験の前に、標点距離内の異なる位置で少なくとも３回リボンの厚さおよび幅を慎重に測定した。次いで、標準厚さおよび標準幅として平均値を記録し、次の応力および歪み計算用の入力パラメータとして使用した。引張り試験用の初期標準長さは、リボンを固定した後、２つの把持ジョーの前面間のワイヤ長を測定して求めた値を用いて、約９ｍｍに設定した。すべての試験は、歪み速度−０．００１ｓ−１での変位制御のもとで行った。１０．５ｍ／ｓで溶融紡糸した場合の、表１に示す各合金に対する、全伸び、極限引張り強度、およびヤング率を含む引張り試験結果の概要を表３に示している。なお、２つの試料ＰＣ７Ｅ８Ｓ１Ａ１２およびＰＣ７Ｅ８Ｓ１Ａ１６は脆すぎて試験ができなかった。さらに、溶融紡糸プロセスに起因してたまに発生する巨視的欠陥により、局所領域で特性が低下することがあるため、各試料を３回測定したことを指摘しておく。表３に示すように、引張り強度値は比較的高く、１．０８ＧＰａ〜３．７２ＧＰａであり、一方、全伸び値も同様に非常に高く、１．７２％〜６．８０％である。
マイクロスケール引張り試験を使用して、室温での平ワイヤの機械特性を求めた。試験は市販のＦｕｌｌａｍ製引張りステージ内で行い、ＭＴＥＳＴ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ソフトウェアプログラムでこの引張りステージを観測および制御した。ステッピングモータにより、把持システムを介して変形を加え、一方、１つの把持ジョーの端部に連結されたロードセルで荷重を測定した。２つの把持ジョーに取り付けられた、標点距離の変化を測定する線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）を使用して変位を求めた。試験の前に、標点距離内の異なる位置で少なくとも３回リボンの厚さおよび幅を慎重に測定した。次いで、標準厚さおよび標準幅として平均値を記録し、次の応力および歪み計算用の入力パラメータとして使用した。引張り試験用の初期標準長さは、リボンを固定した後、２つの把持ジョーの前面間のワイヤ長を測定して求めた値を用いて、約９ｍｍに設定した。すべての試験は、歪み速度−０．００１ｓ−１での変位制御のもとで行った。１０．５ｍ／ｓで溶融紡糸した場合の、表１に示す各合金に対する、全伸び、極限引張り強度、およびヤング率を含む引張り試験結果の概要を表３に示している。なお、２つの試料ＰＣ７Ｅ８Ｓ１Ａ１２およびＰＣ７Ｅ８Ｓ１Ａ１６は脆すぎて試験ができなかった。さらに、溶融紡糸プロセスに起因してたまに発生する巨視的欠陥により、局所領域で特性が低下することがあるため、各試料を３回測定したことを指摘しておく。表３に示すように、引張り強度値は比較的高く、１．０８ＧＰａ〜３．７２ＧＰａであり、一方、全伸び値も同様に非常に高く、１．７２％〜６．８０％である。
円形断面ワイヤ
Ｔａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙワイヤ製造プロセスを使用して、表１に示す２つの合金、ＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１およびＰＣ７Ｅ１０Ｓ１Ｂ２の多数の流れを生じさせた。なお、平ワイヤに対して利用したのと同様に、２つの合金を処理してインゴットにし、指状体に鋳造した。水冷却の有無を含む様々な条件で、および直径が約３μｍ〜約５０μｍの様々な太さで、約２０の細く典型的なＴａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙワイヤ製造用流れ（平均で約３００ｍ）を生じさせた。さらに、６つのより長い長さのワイヤを生成し、スプールに巻き付けた。ワイヤ長さ、全体径、およびガラスコーティング厚さを表４に示す。図３に、流れ＃６のガラスコートマイクロワイヤを示すスプールの写真を示す。
Ｔａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙワイヤ製造プロセスを使用して、表１に示す２つの合金、ＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１およびＰＣ７Ｅ１０Ｓ１Ｂ２の多数の流れを生じさせた。なお、平ワイヤに対して利用したのと同様に、２つの合金を処理してインゴットにし、指状体に鋳造した。水冷却の有無を含む様々な条件で、および直径が約３μｍ〜約５０μｍの様々な太さで、約２０の細く典型的なＴａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙワイヤ製造用流れ（平均で約３００ｍ）を生じさせた。さらに、６つのより長い長さのワイヤを生成し、スプールに巻き付けた。ワイヤ長さ、全体径、およびガラスコーティング厚さを表４に示す。図３に、流れ＃６のガラスコートマイクロワイヤを示すスプールの写真を示す。
円形断面ワイヤの熱分析
Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＤＴＡ−７システムをオプションのＤＳＣ−７とともに使用して、固化したばかりのガラスコートマイクロワイヤに関する熱分析を行った。加熱速度１０℃／分で示差熱分析（ＤＴＡ）および示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、超高純度アルゴンを流動させることによって試料の酸化を防止した。表５に、水冷却ありおよび水冷却なしで処理した、選択した円形断面のガラスコートマイクロワイヤの、ガラスから結晶への転移に関するＤＳＣデータが示されている。示すように、すべての試料で、比較的大規模な、ガラスから結晶への転移が生じていて、固化したばかりのワイヤ状態がごくわずかな金属ガラスを含むことを示している。なお、結晶エンタルピーの値が低いが、無傷のガラスコートとともに測定したためであろう。ＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１合金に対する水冷却有りおよび水冷却なしのＤＴＡ曲線と、ＰＣ７Ｅ１０Ｓ１Ｂ２合金に対する水冷却有りおよび水冷却なしのＤＴＡ曲線とがそれぞれ図４および図５に示されている。図に明瞭に示すように、合金は、それら本来の高いレベルのガラス形成能力のために、処理条件および水冷却の有無に対して感応しない。平ワイヤ（リボン）およびガラスコート円形ワイヤの両方の形態のＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１ワイヤおよびＰＣ７Ｅ１０Ｓ１Ｂ２ワイヤに対するＤＴＡ曲線が、それぞれ図６および図７で比較されている。これらの図に示すように、結晶および溶融ピークは同じであり、平ワイヤ（リボン）およびガラスコート円形ワイヤの両方で、各合金に対して全く同じ化学組成および構造が得られたことを示している。
Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＤＴＡ−７システムをオプションのＤＳＣ−７とともに使用して、固化したばかりのガラスコートマイクロワイヤに関する熱分析を行った。加熱速度１０℃／分で示差熱分析（ＤＴＡ）および示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、超高純度アルゴンを流動させることによって試料の酸化を防止した。表５に、水冷却ありおよび水冷却なしで処理した、選択した円形断面のガラスコートマイクロワイヤの、ガラスから結晶への転移に関するＤＳＣデータが示されている。示すように、すべての試料で、比較的大規模な、ガラスから結晶への転移が生じていて、固化したばかりのワイヤ状態がごくわずかな金属ガラスを含むことを示している。なお、結晶エンタルピーの値が低いが、無傷のガラスコートとともに測定したためであろう。ＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１合金に対する水冷却有りおよび水冷却なしのＤＴＡ曲線と、ＰＣ７Ｅ１０Ｓ１Ｂ２合金に対する水冷却有りおよび水冷却なしのＤＴＡ曲線とがそれぞれ図４および図５に示されている。図に明瞭に示すように、合金は、それら本来の高いレベルのガラス形成能力のために、処理条件および水冷却の有無に対して感応しない。平ワイヤ（リボン）およびガラスコート円形ワイヤの両方の形態のＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１ワイヤおよびＰＣ７Ｅ１０Ｓ１Ｂ２ワイヤに対するＤＴＡ曲線が、それぞれ図６および図７で比較されている。これらの図に示すように、結晶および溶融ピークは同じであり、平ワイヤ（リボン）およびガラスコート円形ワイヤの両方で、各合金に対して全く同じ化学組成および構造が得られたことを示している。
円形断面ワイヤのＳＥＭ解析
円形断面ワイヤの構造を調べるために、選択した試料に対して走査電子顕微鏡撮影（ＳＥＭ）を行った。Ｚｅｉｓｓ ＥＶＯ−６０走査電子顕微鏡を使用して、電子ビームエネルギー１７．５ｋＶ、フィラメント電流２．４Ａ、スポット寸法設定１０００で試料の構造を観察した。図８に、ガラスコーティングが無傷であるワイヤを示す、スプール＃６からのマイクロワイヤの後方散乱電子像（ＢＳＥ）が示されている。図９に、ガラスコーティング付きのワイヤを示す、スプール＃６のマイクロワイヤのＢＳＥ画像が示されており、先端付近でコーティングが除去されて裸のワイヤが見えている。図１０に、ガラスコーティングが除去されたワイヤ構造を拡大して示す、スプール＃６のマイクロワイヤの高倍率ＢＳＥ画像が示されている。主にワイヤのガラス性のために、ＤＴＡ／ＤＳＣ結果と合致した構造が解像される見込みはない。一方、存在することも存在しないこともあるナノスケールの構造は、後方散乱電子検出の本質的な解像度限界のために、解像される見込みはない。
円形断面ワイヤの構造を調べるために、選択した試料に対して走査電子顕微鏡撮影（ＳＥＭ）を行った。Ｚｅｉｓｓ ＥＶＯ−６０走査電子顕微鏡を使用して、電子ビームエネルギー１７．５ｋＶ、フィラメント電流２．４Ａ、スポット寸法設定１０００で試料の構造を観察した。図８に、ガラスコーティングが無傷であるワイヤを示す、スプール＃６からのマイクロワイヤの後方散乱電子像（ＢＳＥ）が示されている。図９に、ガラスコーティング付きのワイヤを示す、スプール＃６のマイクロワイヤのＢＳＥ画像が示されており、先端付近でコーティングが除去されて裸のワイヤが見えている。図１０に、ガラスコーティングが除去されたワイヤ構造を拡大して示す、スプール＃６のマイクロワイヤの高倍率ＢＳＥ画像が示されている。主にワイヤのガラス性のために、ＤＴＡ／ＤＳＣ結果と合致した構造が解像される見込みはない。一方、存在することも存在しないこともあるナノスケールの構造は、後方散乱電子検出の本質的な解像度限界のために、解像される見込みはない。
円形断面ワイヤの引張り試験
平ワイヤ試料に対して前述したものと同じシステムのマイクロスケール引張り試験を同様の手順で使用して、室温でのガラスコートマイクロワイヤの初期測定値が得られた。主な違いは、既存のロードセル（１，０００ｌｂ）は大きすぎると思われるので、単一のワイヤ試料は測定しなかったことである。この場合に、撚ったワイヤロープを使用して測定を行った。スプール＃６に対して、９０本のワイヤに切断し、次いで、９０本のワイヤすべてを一緒に撚って、図１１に示すようなワイヤロープを形成した。
平ワイヤ試料に対して前述したものと同じシステムのマイクロスケール引張り試験を同様の手順で使用して、室温でのガラスコートマイクロワイヤの初期測定値が得られた。主な違いは、既存のロードセル（１，０００ｌｂ）は大きすぎると思われるので、単一のワイヤ試料は測定しなかったことである。この場合に、撚ったワイヤロープを使用して測定を行った。スプール＃６に対して、９０本のワイヤに切断し、次いで、９０本のワイヤすべてを一緒に撚って、図１１に示すようなワイヤロープを形成した。
引張り試験を行い、得られた索具をＳＥＭで調べた。実際のワイヤの断面積を測定し、破断したワイヤの数量を計数した。これにより、表６に示すような引張り強度値の推定が可能になった。なお、一部において、個々のワイヤが試験中にすべったと思われ、異常に高く不正確な伸び値となったため、引張り伸び値は提示されていない。ＤＴＡ、ＳＥＭ、および測定した引張り強度値から、平ワイヤおよびガラスコート円形ワイヤの両方の形態において、ＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１合金およびＰＣ７Ｅ１０Ｓ１Ｂ２合金内に全く同様の構造が得られたと考えられる。したがって、引張り伸び値も同様であると考えられる。円形断面の方が、剪断帯相互作用に好ましいと予測されるので、円形ワイヤの引張り特性が平ワイヤより高いと見込まれ、おそらく確実である。これを示すものが図１２に示されており、スプール＃６からのワイヤに張力をかけ、次いでねじって、引張り歪みおよびねじれ歪みを両方生じさせると、このワイヤの相互作用剪断帯を明瞭に見ることができる。
ガラスコートマイクロワイヤのＴＥＭ分析
マイクロワイヤ内のミクロ組織を調べるために、ＴＥＭ顕微鏡撮影を行った。ＴＥＭ観察用の電子透過領域を得るために、スプール＃６のＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１ワイヤの試料を銅製ディスクに取り付けた。Ｇａｔａｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ （ＰＩＰＳ）を使用して、得られた試料をイオンミル処理し、ＰＩＰＳはイオンビームエネルギーレベル約４ｋｅＶで動作させた。イオンビーム入射角は、最初１０°とし、次いで浸入後７°まで小さくし、さらに４°まで小さくして終了した。イオンミル処理後、いくつかのワイヤ断片にＴＥＭ顕微鏡法に適した薄い領域があった。図１２に、スプール＃６のＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１マイクロワイヤのＴＥＭ顕微鏡写真が示されており、両方の写真は、ワイヤの中心に近い薄い領域において異なる倍率で撮られている。図１３の２つの顕微鏡写真の左隅に制限視野回折図形が示されている。図を見ると、回折図形から、ワイヤの構造は主に非晶質であると認められ、個々の結晶相がそれらの回折点から見られる。顕微鏡写真から分かるように、小さい結晶相または結晶群は非常に小さく、通常は１ｎｍ〜３ｎｍの範囲にある。均一な小構造であることから、これらの小さい結晶相／群は、スピノーダルタイプの転移によりできると考えられる。孤立した結晶相／群がガラスマトリックス内に存在することから、ワイヤの構造をスピノーダルガラスマトリックス微細成分構造とみなすことができる。
マイクロワイヤ内のミクロ組織を調べるために、ＴＥＭ顕微鏡撮影を行った。ＴＥＭ観察用の電子透過領域を得るために、スプール＃６のＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１ワイヤの試料を銅製ディスクに取り付けた。Ｇａｔａｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｏｎ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ （ＰＩＰＳ）を使用して、得られた試料をイオンミル処理し、ＰＩＰＳはイオンビームエネルギーレベル約４ｋｅＶで動作させた。イオンビーム入射角は、最初１０°とし、次いで浸入後７°まで小さくし、さらに４°まで小さくして終了した。イオンミル処理後、いくつかのワイヤ断片にＴＥＭ顕微鏡法に適した薄い領域があった。図１２に、スプール＃６のＰＣ７Ｅ１０Ｓ２Ａ１マイクロワイヤのＴＥＭ顕微鏡写真が示されており、両方の写真は、ワイヤの中心に近い薄い領域において異なる倍率で撮られている。図１３の２つの顕微鏡写真の左隅に制限視野回折図形が示されている。図を見ると、回折図形から、ワイヤの構造は主に非晶質であると認められ、個々の結晶相がそれらの回折点から見られる。顕微鏡写真から分かるように、小さい結晶相または結晶群は非常に小さく、通常は１ｎｍ〜３ｎｍの範囲にある。均一な小構造であることから、これらの小さい結晶相／群は、スピノーダルタイプの転移によりできると考えられる。孤立した結晶相／群がガラスマトリックス内に存在することから、ワイヤの構造をスピノーダルガラスマトリックス微細成分構造とみなすことができる。
いくつかの方法および実施形態に関する前述の説明は、例示を目的として提示された。それに尽きるまたはそれに限定することを意図するものではなく、上記の教示を考慮すると、多くの修正形態および変形形態が可能である。
１００ ワイヤソー
１０２ 基板
１０６ 供給リール
１１２ 切断領域
１１４ 巻き取りリール
Ｗ ワイヤ
１０２ 基板
１０６ 供給リール
１１２ 切断領域
１１４ 巻き取りリール
Ｗ ワイヤ
Claims (20)
- ４３．０原子パーセント〜６４．０４原子パーセントの範囲で存在する鉄と、１２．０原子パーセント〜１９．０原子パーセントの範囲で存在するホウ素と、１５．０原子パーセント〜１７．０原子パーセントの範囲で存在するニッケルと、２．０原子パーセント〜２１．０原子パーセントの範囲で存在するコバルトと、選択的に０．１原子パーセント〜４．５２原子パーセントの範囲で存在する炭素と、選択的に０．４原子パーセント〜４．０原子パーセントの範囲で存在するシリコンとからなる鉄系ガラス合金からなるワイヤであって、スピノーダルガラスマトリックス微細成分を含み、
前記ワイヤは平ワイヤまたは円形断面ワイヤであり、
前記平ワイヤは厚さが１４０μｍ以下かつ幅が２ｍｍ以下であり、
前記円形断面ワイヤは直径が１４０μｍ未満であるワイヤ。 - 長さが５００ｍ以上である、請求項１に記載のワイヤ。
- 請求項１に記載のワイヤを複数本撚ったワイヤ。
- 請求項３に記載のワイヤにおいて、複数本が１００本以下であるワイヤ。
- スピノーダルガラスマトリックス微細成分構造を示す、請求項１に記載のワイヤ。
- 固相において粒径が０．１ｎｍ〜１．０μｍの範囲内の構造単位の結合を示す、請求項１に記載のワイヤ。
- １ＧＰａを超える引張り強度を示す、請求項１に記載のワイヤ。
- １．５％以上の引張り伸びを示す、請求項１に記載のワイヤ。
- ガラスでコーティングされた、請求項１に記載のワイヤ。
- モース硬度が７以上の粒子でコーティングされた、請求項１に記載のワイヤ。
- ４３．０原子パーセント〜６４．０４原子パーセントの範囲で存在する鉄と、１２．０原子パーセント〜１９．０原子パーセントの範囲で存在するホウ素と、１５．０原子パーセント〜１７．０原子パーセントの範囲で存在するニッケルと、２．０原子パーセント〜２１．０原子パーセントの範囲で存在するコバルトと、選択的に０．１原子パーセント〜４．５２原子パーセントの範囲で存在する炭素と、選択的に０．４原子パーセント〜４．０原子パーセントの範囲で存在するシリコンとからなる鉄系ガラス合金からなるワイヤで基板を削るステップを含む、基板を切断する方法であって、前記ワイヤがスピノーダルガラスマトリックス微細成分を含み、
前記ワイヤは平ワイヤまたは円形断面ワイヤであり、
前記平ワイヤは厚さが１４０μｍ以下かつ幅が２ｍｍ以下であり、
前記円形断面ワイヤは直径が１４０μｍ未満である、方法。 - 前記ワイヤが５００ｍ以上の長さを有する、請求項１１に記載の方法。
- 前記削るステップをワイヤソーで行う、請求項１１に記載の方法。
- 前記基板を切断領域で削り、前記切断領域にスラリーを供給するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
- 前記基板をウェハまたはフィラメントに形成する、請求項１１の方法。
- ４３．０原子パーセント〜６４．０４原子パーセントの範囲で存在する鉄と、１２．０原子パーセント〜１９．０原子パーセントの範囲で存在するホウ素と、１５．０原子パーセント〜１７．０原子パーセントの範囲で存在するニッケルと、２．０原子パーセント〜２１．０原子パーセントの範囲で存在するコバルトと、選択的に０．１原子パーセント〜４．５２原子パーセントの範囲で存在する炭素と、選択的に０．４原子パーセント〜４．０原子パーセントの範囲で存在するシリコンとからなる鉄系ガラス合金を提供するために元素成分を溶融するステップと、前記鉄系ガラス合金をワイヤに形成するステップとを含む、ワイヤを形成する方法であって、前記ワイヤがスピノーダルガラスマトリックス微細成分を含み、
前記ワイヤは平ワイヤまたは円形断面ワイヤであり、
前記平ワイヤは厚さが１４０μｍ以下かつ幅が２ｍｍ以下であり、
前記円形断面ワイヤは直径が１４０μｍ未満である、方法。 - 前記ワイヤをキャスティングプロセスによって形成する、請求項１６に記載の方法。
- 前記キャスティングプロセスには、溶融紡糸が含まれる、請求項１７に記載の方法。
- 前記ワイヤをＴａｙｌｏｒ−Ｕｌｉｔｏｖｓｋｙワイヤキャスティングプロセスによって形成する、請求項１６に記載の方法。
- 前記ワイヤが５００ｍ以上の長さを有する、請求項１６に記載の方法。
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