JP6288574B1 - ソーワイヤー及び切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピアノ線より細く、かつ、ピアノ線の約２倍の弾性率を有し、ピアノ線と同等以上の引張強度を有するソーワイヤーを提供する。【解決手段】ソーワイヤー１０は、レニウムとタングステンとの合金からなる金属線を備え、金属線のレニウムの含有率は、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であり、金属線の線径は、６０μｍ以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、ソーワイヤー及び当該ソーワイヤーを備える切断装置に関する。

従来、ピアノ線からなるワイヤーを用いてシリコンインゴットをスライスするマルチワイヤーソーが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００８−２１３１１１号公報

ワイヤーソーでは、ワイヤーの線径分の削りカスが発生する。上記従来のマルチワイヤーソーでは、ピアノ線からなるワイヤーを利用しているが、ピアノ線の細線化は難しく、現状では線径が６０μｍより小さいピアノ線の製造は難しく、かつ、ピアノ線の弾性率は１５０ＧＰａ〜２５０ＧＰａであるため、細径化できたとしてもスライス時にタワミが発生する。このため、細径化されたピアノ線は、ワイヤーソーのスライスに不向きである。

そこで、本発明は、ピアノ線より細く、かつ、ピアノ線の約２倍の弾性率を有し、ピアノ線と同等以上の引張強度を有するソーワイヤー及び当該ソーワイヤーを備える切断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るソーワイヤーは、レニウムとタングステンとの合金からなる金属線を備え、前記金属線のレニウムの含有率は、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であり、前記金属線の線径は、６０μｍ以下である。

また、本発明の一態様に係るソーワイヤーは、カリウムがドープされたタングステンからなる金属線を備え、前記金属線のカリウムの含有率は、０．００５ｗｔ％以上０．０１０ｗｔ％以下であり、前記金属線の線径は、６０μｍ以下である。

また、本発明の一態様に係る切断装置は、前記ソーワイヤーを備える。

本発明によれば、ピアノ線より細く、かつ、ピアノ線の約２倍の弾性率を有し、ピアノ線と同等以上の引張強度を有するソーワイヤー及び当該ソーワイヤーを備える切断装置を提供することができる。

実施の形態に係る切断装置の斜視図である。 実施の形態に係る切断装置によるインゴットのスライスの様子を示す断面図である。 実施の形態に係るソーワイヤーの製造方法を示す状態遷移図である。

以下では、本発明の実施の形態に係るソーワイヤー及び切断装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書において、平行又は等しいなどの要素間の関係性を示す用語、及び、円形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

（実施の形態）
［切断装置］
まず、本実施の形態に係るソーワイヤーを備える切断装置の概要について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る切断装置１の斜視図である。

図１に示すように、切断装置１は、複数のソーワイヤー１０を備えるマルチワイヤーソーである。切断装置１は、例えば、インゴット２０を薄板状に切断することで、ウェハを製造する。インゴット２０は、例えば、単結晶シリコンから構成されるシリコンインゴットである。具体的には、切断装置１は、複数のソーワイヤー１０によってインゴット２０をスライスすることで、複数のシリコンウェハを同時に製造する。

なお、インゴット２０は、シリコンインゴットに限らず、シリコンカーバイド又はサファイアなどの他のインゴットでもよい。あるいは、切断装置１による切断対象物は、コンクリート又はガラスなどでもよい。

図１に示すように、切断装置１は、さらに、２つのガイドローラー２と、支持部３と、張力緩和装置４とを備える。

２つのガイドローラー２には、複数のソーワイヤー１０が巻きつけられている。２つのガイドローラー２は、複数のソーワイヤー１０を所定の張力でまっすぐに張った状態で、各々が回転することで、複数のソーワイヤー１０を所定の速度で回転させる。複数のソーワイヤー１０は、互いに平行で、かつ、等間隔で配置されている。具体的には、２つのガイドローラー２にはそれぞれ、ソーワイヤー１０が入れられる溝が所定のピッチで複数設けられている。溝のピッチは、切り出したいウェハの厚みに応じて決定される。溝の幅は、ソーワイヤー１０の線径φと略同じである。

なお、切断装置１は、３つ以上のガイドローラー２を備えてもよい。３つ以上のガイドローラー２の周りに複数のソーワイヤー１０が巻きつけられていてもよい。

支持部３は、切断対象物であるインゴット２０を支持する。支持部３は、インゴット２０を複数のソーワイヤー１０に向けて押し出すことにより、インゴット２０が複数のソーワイヤー１０によってスライスされる。

張力緩和装置４は、ソーワイヤー１０にかかる張力を緩和する装置である。例えば、張力緩和装置４は、つるまきバネ又は板バネなどの弾性体である。図１に示すように、例えばつるまきバネである張力緩和装置４は、一端がガイドローラー２に接続され、他端が所定の壁面に固定されている。張力緩和装置４がガイドローラー２の位置を調整することで、ソーワイヤー１０にかかる張力を緩和することができる。

なお、図示しないが、切断装置１は、遊離砥粒方式の切断装置であって、複数のソーワイヤー１０にスラリーを供給する供給装置を備えていてもよい。スラリーは、クーラントなどの切削液に砥粒が分散されたものである。スラリーに含まれる砥粒がソーワイヤー１０に付着することで、インゴット２０の切断を容易に行うことができる。

図２は、本実施の形態に係る切断装置１によるインゴット２０のスライスの様子を示す断面図である。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における断面であって、ソーワイヤー１０の延在方向に直交する断面の一部を示している。具体的には、複数のソーワイヤー１０のうち３本のソーワイヤー１０によってインゴット２０をスライスする様子を示している。

インゴット２０を複数のソーワイヤー１０に向けて押し出すことにより、インゴット２０は、複数のソーワイヤー１０によって同時に複数の分割片２１に分割される。隣り合う分割片２１の間の隙間２２は、ソーワイヤー１０によってインゴット２０が削り取られることによって形成された空間である。つまり、隙間２２の大きさは、インゴット２０のロスに相当する。

隙間２２の幅ｄは、ソーワイヤー１０の線径φに依存する。すなわち、ソーワイヤー１０の線径φが大きいほど、幅ｄが大きくなってインゴット２０のロスは多くなる。ソーワイヤー１０の線径φが小さいほど、幅ｄが小さくなってインゴット２０のロスは少なくなる。

具体的には、隙間２２の幅ｄは、線径φより大きくなる。幅ｄと線径φとの差分は、ソーワイヤー１０に付着する砥粒の大きさと、ソーワイヤー１０の回転の際の振動の揺れ幅とに依存する大きさである。このとき、ソーワイヤー１０の揺れ幅は、ソーワイヤー１０を強く張ることにより抑えることができる。ソーワイヤー１０の引張強度が高く、弾性率が高いほど、ソーワイヤー１０を強く張ることが可能になる。このため、ソーワイヤー１０の揺れ幅が小さくなって、隙間２２の幅ｄを小さくすることができ、インゴット２０のロスを更に少なくすることができる。

なお、分割片２１の厚みＤは、複数のソーワイヤー１０の配置間隔に依存する。このため、複数のソーワイヤー１０は、所望の厚みＤと所定のマージンとを加えた間隔で配置される。具体的には、マージンは、幅ｄと線径φとの差分であり、ソーワイヤー１０の揺れ幅及び砥粒の粒径に応じて決まる値である。

以上のことから、インゴット２０のロスを少なくするためには、ソーワイヤー１０の線径φと引張強度と弾性率とが重要なパラメータであることが分かる。具体的には、ソーワイヤー１０の線径φを小さくし、又は、ソーワイヤー１０の引張強度を高く、弾性率を高くすることで、インゴット２０のロスを少なくすることができる。本実施の形態に係るソーワイヤー１０は、一般的に８０μｍ程度の線径を有するピアノ線より小さい線径φを有し、かつ、一般的に３５００ＭＰａ以上の引張強度を有するピアノ線と同等以上の引張強度を有する。

以下では、ソーワイヤー１０の構成及び製造方法について説明する。

［ソーワイヤー］
本実施の形態に係るソーワイヤー１０は、レニウム（Ｒｅ）とタングステン（Ｗ）との合金（ＲｅＷ）からなる金属線を備える。本実施の形態では、ソーワイヤー１０は、金属線そのものである。

ソーワイヤー１０は、タングステンを主成分として含有し、所定の割合でレニウムを含有している。ソーワイヤー１０のレニウムの含有率は、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下である。例えば、レニウムの含有率は、０．５ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であってもよく、一例として３ｗｔ％であるが、１ｗｔ％でもよい。レニウムの含有率を高めることで、ソーワイヤー１０の引張強度が大きくなる。一方で、レニウムの含有率が高すぎる場合には、ソーワイヤー１０の細線化が難しくなる。

ＲｅＷ合金からなる金属線は、線径φが小さくなるほど、引張強度が強くなる。すなわち、ＲｅＷ合金からなる金属線を利用することで、線径φが小さく、かつ、引張強度が高いソーワイヤー１０を実現することができ、インゴット２０のロスを抑制することができる。

具体的には、ソーワイヤー１０の引張強度は、３５００ＭＰａ以上である。例えば、ソーワイヤー１０の引張強度は、３５００ＭＰａ以上５０００ＭＰａ以下であるが、これに限らない。例えば、ソーワイヤー１０の引張強度は、４０００ＭＰａ以上でもよい。

また、ソーワイヤー１０の弾性率は、３５０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下である。なお、弾性率は、縦弾性係数である。つまり、ソーワイヤー１０は、ピアノ線の約２倍の弾性率を有する。

ソーワイヤー１０の線径φは、６０μｍ以下である。例えば、ソーワイヤー１０の線径φは、４０μｍ以下でもよく、３０μｍ以下でもよい。ソーワイヤー１０の線径φは、具体的には２０μｍであるが、１０μｍでもよい。なお、ダイヤモンド粒子を付着させる場合には、ソーワイヤー１０の線径φは、例えば１０μｍ以上であってもよい。ソーワイヤー１０は、線径φが均一である。ソーワイヤー１０の線径φが６０μｍ以下であるので、ソーワイヤー１０は、柔軟性を有し、十分に屈曲させやすい。このため、ソーワイヤー１０をガイドローラー２間に容易に巻きつけることができる。

ソーワイヤー１０は、例えば、ワイヤーの延在方向に直交する断面形状が円形の金属線であるが、これに限らない。ソーワイヤー１０の断面形状は、正方形などの矩形又は楕円形などでもよい。

［ソーワイヤーの製造方法］
以下では、上記特徴を有するソーワイヤー１０の製造方法について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係るソーワイヤー１０の製造方法を示す状態遷移図である。

まず、図３の（ａ）に示すように、タングステン粉末１１ａ及びレニウム粉末１１ｂを所定の割合で準備する。具体的には、タングステン粉末１１ａとレニウム粉末１１ｂとを合わせた全体重量のうちの０．１％以上１０％以下の範囲でレニウム粉末１１ｂを準備し、残りをタングステン粉末１１ａとする。タングステン粉末１１ａ及びレニウム粉末１１ｂの各々の平均粒径は、例えば５μｍであるが、これに限らない。

次に、タングステン粉末１１ａ及びレニウム粉末１１ｂの混合物に対してプレス及び焼結（シンター）を行うことで、タングステン及びレニウムの合金からなるＲｅＷインゴットを作製する。インゴットを周囲から鍛造圧縮して伸展するスエージング加工を、ＲｅＷインゴットに対して行うことで、図３の（ｂ）に示すように、ワイヤー状のＲｅＷ線１２を作製する。例えば、焼結体であるＲｅＷインゴットは、線径が１５ｍｍ程度であるのに対して、ワイヤー状のＲｅＷ線１２は、線径が３ｍｍ程度である。

次に、図３の（ｃ）に示すように、伸線ダイスを用いた線引き加工を行う。

具体的には、まず、図３の（ｃ１）に示すように、ＲｅＷ線１２をアニールする。具体的には、バーナーで直接的にＲｅＷ線１２を加熱するだけでなく、ＲｅＷ線１２に電流を流しながら加熱する。アニール工程は、スエージング加工又は線引き加工によって生じる加工歪を除去するために行われる。

次に、図３の（ｃ２）に示すように、伸線ダイス３０を用いてＲｅＷ線１２の線引き、すなわち、伸線を行う。なお、前段のアニール工程によって、ＲｅＷ線１２が加熱されて柔らかくなっているので、伸線を容易に行うことができる。ＲｅＷ線１２が細線化されることで、その引張強度が高くなる。つまり、線引き工程によって細線化されたＲｅＷ線１３は、ＲｅＷ線１２よりも引張強度が高い。なお、ＲｅＷ線１３の線径は、例えば０．６ｍｍであるが、これに限らない。

次に、図３の（ｃ３）に示すように、ダイス交換を行う。具体的には、次の線引き加工に利用するダイスとして、伸線ダイス３０よりも口径が小さい伸線ダイス３１を選択する。なお、伸線ダイス３０及び３１は、例えば、焼結ダイヤモンド又は単結晶ダイヤモンドなどから構成されるダイヤモンドダイスである。

ＲｅＷ線１３の線径が所望の線径φ（具体的には、６０μｍ以下）になるまで、図３の（ｃ１）〜（ｃ３）を繰り返し行う。このとき、図３の（ｃ２）で示す線引き工程は、対象となるＲｅＷ線の線径に応じて、伸線ダイス３０又は３１の形状及び硬さ、使用する潤滑剤、並びに、ＲｅＷ線の温度などを調整することで行われる。

図３の（ｃ１）で示すアニール工程も同様に、対象となるＲｅＷ線の線径に応じて、アニール条件を調整する。具体的には、ＲｅＷ線の線径が大きい程、高い温度でアニールし、ＲｅＷ線の線径が小さい程、低い温度でアニールする。例えば、ＲｅＷ線の線径が大きい場合、具体的には、１回目の線引き加工のときのアニール工程では、１４００℃〜１８００℃の温度でアニールする。所望の線径になる最終線引き加工のときの最終アニール工程では、１２００℃〜１５００℃の温度で加熱する。なお、最終アニール工程では、ＲｅＷ線への通電を行わなくてもよい。

また、線引き加工の繰り返しの際に、アニール工程は省略されてもよい。例えば、最終アニール工程は省略されてもよい。具体的には、最終アニール工程を省略し、潤滑剤並びに伸線ダイスの形状及び硬さを調節してもよい。

最後に、図３の（ｄ）に示すように、所望の線径φになったＲｅＷ線１４に対して電解研磨を行うことにより、ＲｅＷ線１４の表面を滑らかにする。電解研磨工程は、図３の（ｄ）に示すように、例えば水酸化ナトリウム水溶液などの電解液４０に、ＲｅＷ線１４と炭素棒などの対向電極４１とを浸した状態で、ＲｅＷ線１４と対向電極４１との間に通電することで行われる。

以上の工程を経て、図３の（ｅ）に示すように、ソーワイヤー１０が製造される。

なお、図３は、ソーワイヤー１０の製造方法の各工程を模式的に示したものである。各工程を個別に行ってもよく、各工程をインラインで行ってもよい。例えば、複数の伸線ダイスは、生産ライン上で、順次口径が小さくなる順で並べられており、各伸線ダイス間にアニール工程を行う加熱装置などが配置され、最も小さい口径の伸線ダイスの後に電解研磨装置などが配置されていてもよい。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係るソーワイヤー１０は、レニウムとタングステンとの合金からなる金属線を備え、金属線のレニウムの含有率は、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であり、金属線の弾性率は、３５０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下であり、金属線の引張強度は、３５００ＭＰａ以上であり、金属線の線径は、６０μｍ以下である。また、例えば、金属線の引張強度は、５０００ＭＰａ以下である。

このように、金属線は、タングステンを主成分として含有しているので、細線化する程、引張強度が増加して切れにくくなる。さらに、金属線がレニウムを含有していることで、純タングステン線よりも強度を高めることができる。これにより、金属線は、細線化しても切れにくくなるので、ピアノ線と同等以上の引張強度を実現することができる。したがって、本実施の形態によれば、ピアノ線より細く、かつ、ピアノ線の約２倍の弾性率を有し、ピアノ線と同等以上の引張強度を有するソーワイヤー１０を提供することができる。

本実施の形態に係るソーワイヤー１０の引張強度が高いので、強い張力でガイドローラー２間に張ることができる。このため、インゴット２０の切断時のソーワイヤー１０の振動を抑制することができる。

このように、ソーワイヤー１０の線径が小さく、かつ、引張強度が高く、弾性率が高いので、インゴット２０をスライスした時に生じる削りカス、すなわち、インゴット２０のロスを少なくすることができる。したがって、１つのインゴット２０から切り出されるウェハの枚数を増やすことができる。

レニウムタングステンの合金線は細線化によって引張強度が増すという特徴を有するので、ソーワイヤー１０がレニウムタングステンの合金線で構成されていることは、非常に有用である。

また、本実施の形態に係る切断装置１は、ソーワイヤー１０を備える。

これにより、ソーワイヤー１０の線径が小さくなるので、１つのインゴット２０から切り出されるウェハの枚数を増やすことができる。また、インゴット２０をスライスした時に生じる削りカスを少なくすることができる。インゴット２０の材料などの限られた資源を有効に利用することができる。

また、例えば、切断装置１は、ソーワイヤー１０にかかる張力を緩和する張力緩和装置４を備える。

これにより、ソーワイヤー１０に強い張力がかかることを抑制することができるので、ソーワイヤー１０の断線などを抑制することができる。

（変形例） 続いて、上記の実施の形態の変形例について説明する。以下では、上記の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。

本変形例に係るソーワイヤーは、ＲｅＷ合金の代わりに、カリウム（Ｋ）がドープされたタングステンからなる金属線を備える。本変形例に係るソーワイヤーは、金属線そのものである。

ソーワイヤーは、タングステンを主成分として含有し、所定の割合でカリウムを含有している。ソーワイヤーのカリウムの含有率は、０．００５ｗｔ％以上０．０１０ｗｔ％以下である。

カリウムがドープされたタングステンからなる金属線（カリウムドープタングステン線）は、線径φが小さくなるほど、引張強度が強くなる。すなわち、カリウムドープタングステン線を利用することで、線径φが小さく、かつ、引張強度が高いソーワイヤーを実現することができ、インゴット２０のロスを抑制することができる。

本変形例に係るソーワイヤーの引張強度、弾性率及び線径φなどはそれぞれ、実施の形態に係るソーワイヤー１０と同じである。

以上のように、本変形例に係るソーワイヤーは、カリウムがドープされたタングステンからなる金属線を備え、金属線のカリウムの含有率は、０．００５ｗｔ％以上０．０１０ｗｔ％以下であり、金属線の弾性率は、３５０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下であり、金属線の引張強度は、３５００ＭＰａ以上であり、金属線の線径は、６０μｍ以下である。

このように、タングステンが微量のカリウムを含有することで、金属線の半径方向の結晶粒成長が抑制される。このため、本変形例に係るソーワイヤーは、純タングステンに比べて、高温での強度が高くなる。

（その他）
以上、本発明に係るソーワイヤー及び切断装置について、上記の実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記の実施の形態及び変形例では、ソーワイヤー１０が金属線そのものである例について示したが、これに限らない。ソーワイヤー１０は、金属線と、金属線の表面に付着された複数の砥粒とを備えてもよい。つまり、ソーワイヤー１０は、実施の形態で示したような遊離砥粒方式で利用されるワイヤーであってもよく、固定砥粒方式で利用されるワイヤーであってもよい。砥粒は、例えば、ダイヤモンド又はＣＢＮ（立法窒化ホウ素）などである。

また、例えば、切断装置１は、マルチワイヤーソーでなくてもよく、インゴット２０を１つのソーワイヤー１０でスライスすることで、１枚ずつウェハを切り出すワイヤーソー装置でもよい。また、図１で示した切断装置１は一例に過ぎず、例えば張力緩和装置４を備えていなくてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１ 切断装置４ 張力緩和装置
１０ ソーワイヤー

Claims (5)

1. レニウムとタングステンとの合金からなる金属線を備え、
   前記金属線のレニウムの含有率は、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であり、
   前記金属線の線径は、６０μｍ以下である
   ソーワイヤー。
2. カリウムがドープされたタングステンからなる金属線を備え、
   前記金属線のカリウムの含有率は、０．００５ｗｔ％以上０．０１０ｗｔ％以下であり、
   前記金属線の線径は、６０μｍ以下である
   ソーワイヤー。
3. 前記金属線の引張強度は、５０００ＭＰａ以下である
   請求項１又は２に記載のソーワイヤー。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のソーワイヤーを備える切断装置。
5. さらに、前記ソーワイヤーにかかる張力を緩和する張力緩和装置を備える
   請求項４に記載の切断装置。

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