JP6318637B2 - 高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法に関する。

近年、新しい半導体材料として炭化珪素半導体が注目されている。炭化珪素半導体は、シリコン半導体よりも絶縁破壊電界、電子の飽和ドリフト速度および熱伝導率が大きい。このため、炭化珪素半導体を用いて、従来のシリコンデバイスよりも高温、高速で大電流動作が可能なパワーデバイスを実現する研究・開発が活発になされている。なかでも、電動二輪車、電気自動車やハイブリッドカーに使用されるモータは交流駆動あるいはインバータ制御されるため、こうした用途に使用される高効率なスイッチング素子の開発が注目されている。このようなパワーデバイスを実現するためには、高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させるための単結晶炭化珪素ウエハが必要である。

また、窒化ガリウムもパワーデバイスや高輝度の発光素子を実現するための半導体材料として活発に研究されている。このため、窒化ガリウムなど硬度の高い半導体材料のウエハや窒化ガリウム半導体層を形成するために用いられる高硬度のサファイアからなるウエハも求められている。

一般に半導体材料用ウエハには高い加工精度が求められる。しかし、現在大量に生産され、広く普及しているシリコンウエハに比べて、高硬度材料を高い加工精度で切断し、平坦性の高いウエハに仕上げるのは容易ではない。このため、高硬度材料をマルチワイヤソーによって高い精度で加工する技術も研究されている。

例えば、特許文献１、２は、マルチワイヤソーを用いて、ウエハのうねりや反りを抑制し、サファイアの単結晶インゴットを切断する技術を開示している。具体的には特許文献１は、ワイヤを短いサイクルで往復させてインゴットを切断することにより、ウエハのうねりを小さくし、かつ、対称性を高める技術を開示している。特許文献２は、r面を主面とする単結晶サファイアウエハを切り出す場合、ａ面と平行な方向にワイヤを走行させることにより、切断面のうねりを抑制する技術を開示している。

特開２００９−１８４０２３号公報 特開２００９−２６２３０５号公報

しかし、本願発明者が特許文献１、２などに開示された技術を詳細に検討したところ、ウエハの反りが十分に小さくできない場合があることが分かった。本発明は、このような課題に鑑み、より高い加工精度で、高硬度材料のウエハを製造することのできる、高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法を提供することを目的とする。

本発明の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法は、高硬度材料のインゴットをマルチワイヤソーにより同時に複数個所で切断し、複数のウエハを切り出す、高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法であって、前記インゴットにおける切断が進む方向から前記インゴットをワイヤに投影した場合において、前記切断される複数個所における投影されたインゴットの長さの和を最大接触総長ａとし、ワイヤ連続走行距離をｂとし、ｃ１＝ｂ／ａとすると、ｃ１≧２０で前記ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返し、前記単位走行における前記ワイヤの新線繰出量をｄとし、ｃ２＝ｄ／ａとすると、０．３５≦ｃ２≦１．５５である。

２０≦ｃ１≦８０で、前記ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返してもよい。

６５≦ｃ１≦１１５および０．６≦ｃ２≦１で、前記ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返してもよい。

前記ｃ１および前記ｃ２は以下の関係
３０≦ｃ１×ｃ２≦１１５
を満たしていてもよい。

前記ｃ１および前記ｃ２は以下の関係
５０≦ｃ１×ｃ２≦９０
を満たしていてもよい。

前記ワイヤは、電着によって超砥粒が固着されていてもよい。

前記高硬度材料は、１５００以上のビッカース硬度を有していてもよい。

前記高硬度材料は、炭化珪素、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、窒化ホウ素、酸化亜鉛、酸化ガリウムおよび二酸化チタンからなる群から選ばれる１つであってもよい。

前記インゴットの結晶格子は少なくとも１つの劈開面を有し、前記インゴットから切断したウエハは主面を有し、前記主面と前記劈開面との交線に対して非平行な方向に前記ワイヤを走行させてもよい。

前記高硬度材料は六方晶系の結晶構造を有し、前記インゴットの主面はｒ面であり、前記１つの劈開面はｃ面であってもよい。

前記高硬度材料は、サファイアであり、前記主面はｃ面であり、前記少なくとも１つの劈開面はｍ面であってもよい。

本発明によれば、インゴットとワイヤとの最大接触総長の２０倍以上のワイヤ連続走行距離で、ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返すことによって、インゴットと接触するワイヤの仕事量を、従来よりも小さく、かつ、平均化することができ、インゴットから切り出される複数枚のウエハのうねりや反りを小さくすることができる。また、単位走行におけるワイヤの新線繰出量を最大接触総長の０．３５倍以上１．５５倍以下にすることによって、ワイヤの良好な切れ味を長期間維持することができる。また、インゴット切断中において、ワイヤの断線が発生するのを抑制することができる。

（ａ）は本実施形態で用いるマルチワイヤソーの一例を示す模式的な斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すマルチワイヤソーの２つのローラにかけられたワイヤの示す図であり、（ｃ）はワイヤの断面を示す図である。 本実施形態で用いることのできるマルチワイヤソーの他の例を示す模式的な斜視図である。 インゴットの断面を示す模式図である。 （ａ）は本実施形態の方法における、ワイヤの走行速度の時間変化を示す図であり、（ｂ）は、従来のワイヤの走行速度の時間変化を示す図である。 （ａ）は、六方晶系におけるｃ面、ｍ面およびｒ面の配置関係を示す図であり、（ｂ）は、ｒ面に垂直な方向から見たｃ面およびｍ面の配置関係を示し、（ｃ）は、ｃ面に垂直な方向から見たｒ面およびｍ面の配置関係を示し、（ｄ）は、ｒ面とｃ面との交線に平行な方向から見たｃ面、ｍ面およびｒ面の配置関係を示している。 ｒ面を主面とするインゴットからｒ面を主面とするウエハを切り出す場合における、好ましいワイヤの走行方向とインゴットにおける結晶面との関係を示しており、（ａ）はｒ面から見た関係を示し、（ｂ）は、ｒ面に対して垂直な方向から見た関係を示している。 実施例および比較例のｃ１×ｃ２の値を横軸に、ウエハの反りを縦軸にとったグラフである。

炭化珪素や窒化ガリウムなどの半導体材料を用いた半導体デバイスは、商業的実用化の段階にあり、これらの半導体デバイスを製造するためのウエハをできるだけ低コストで製造することが求められている。このためには、高硬度材料のインゴットからウエハをできるだけ薄く切り出し、ウエハ１枚あたりの原材料費を低減したり、できるだけ高い加工精度でウエハを切り出し、ウエハの仕上げに要する時間を短縮し製造コスト全体を低減することが好ましい。

そこで、本願発明者は、新規な、高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法を想到した。以下本発明による高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法の実施の形態を詳細に説明する。

本実施形態の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法は、ワイヤを用いたマルチワイヤソーによって、高硬度材料のインゴットを同時に複数個所で切断し、複数のウエハを切り出す。本願明細書において、「マルチワイヤソー」はインゴットを切断する装置を意味し、「ワイヤ」とはソーワイヤを意味する。

本実施形態の切断方法に用いることのできる高硬度材料は、例えば、１５００以上のビッカース硬度を有する、炭化珪素、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、窒化ホウ素、酸化亜鉛、酸化ガリウムおよび二酸化チタンなどであってもよい。高硬度材料は単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。また、本実施形態の切断方法は、ウエハの主面となる結晶方位の面以外に少なくとも１つの劈開面を有する高硬度材料のインゴットに好適に用いることができる。

高硬度材料のインゴットの直径や長さに特に制限はないが、本実施形態の切断方法によれば、大口径で反りの小さいウエハを製造することができる。例えば、４インチ以上の大きさのウエハを製造するのに好適に本実施形態の切断方法を用いることができる。また、切り出すウエハの厚さにも特に制限はないが、実施形態の切断方法によれば、厚さが小さく、反りが抑制されたウエハを製造することができる。特に、本実施形態の方法は、３００μｍ以上１０００μｍ以下の厚さのウエハの製造に好適に用いることができる。

まず、本実施形態の方法で用いるマルチワイヤソーを説明する。本実施形態には、種々の構成のマルチワイヤソーを用いることができる。図１（ａ）は、３つのローラを有するマルチワイヤソー５６を模式的に示している。マルチワイヤソー５６は、ローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃと、一本の連続したワイヤ５０とを有する。高硬度材料のインゴット１０は、固定用ベース１４に支持される。

ローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、それぞれの回転軸が互いに平行であり、回転軸に垂直な面において、３つの回転軸が三角形の頂点に位置するように、所定の間隔を隔てて配置される。ローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃのそれぞれの側面に複数の溝が設けられている。

ワイヤ５０は、ローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃの複数の溝に順番に巻き架けられている。図１（ｂ）は、ローラ５１ｂとローラ５１ｃとの間に複数回架けられたワイヤ５０を模式的に示している。ローラ５１ｂとローラ５１ｃとの間を１回架橋することによって、１つの切削部分５０ｐが形成され、複数の溝の間隔と一致する一定の間隔ｐで複数の切削部分５０ｐが配置される。複数の切削部分５０ｐは全体として切削網５１ｎ（cutting web）を形成している。

ワイヤ５０の両端は、例えば、回収ボビン５４ａ、５４ｂに巻回されている。分かりやすさのため、図１（ａ）では、回収ボビン５４ａ、５４ｂをローラ５１ａの近くに配置しているが、回収ボビン５４ａ、５４ｂはローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃから離れて配置されていてもよい。また、ワイヤ５０の走行を安定させるため、あるいは、ワイヤ５０を所望の位置に配置させるため、マルチワイヤソー５６は他のガイドローラやプーリーをさらに備えていてもよい。

切削時には、回収ボビン５４ａ、５４ｂおよびローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃが回転し、ワイヤ５０を回収ボビン５４ａまたは回収ボビン５４ｂの一方に巻き取る。回収ボビン５４ａ、５４ｂおよびローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃの回転方向は、これらの配置やワイヤ５０の掛け方に依存する。図１（ａ）に示すマルチワイヤソー５６では、ローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃは同一方向に回転し、回収ボビン５４ａと回収ボビン５４ｂとは互いに逆方向に回転する。

所定の長さの分のワイヤ５０が、一方の回収ボビンに巻き取られたら、回収ボビン５４ａ、５４ｂおよびローラ５１ａ、５１ｂ、５１ｃを逆方向に回転させる。これにより、ワイヤ５０が逆方向に移動し、回収ボビン５４ａまたは回収ボビン５４ｂの他方に巻き取られる。これを繰り返すことによって、ワイヤ５０が往復運動（移動）する。

ローラ５１ｂとローラ５１ｃとの間のワイヤ５０により形成される切削網５１ｎに切削液を吐出しながら、インゴット１０および切削網５１ｎの少なくとも一方を移動させ、インゴット１０に切削網５１ｎを接触させることによって、切削網５１ｎの各切削部分５０ｐがインゴット１０を切断する。これにより、インゴット１０が同時に複数個所切断され、複数のウエハが得られる。図１（ａ）に示すように、このタイプのマルチワイヤソー５６では、一般に、固定用ベース１４に支持されたインゴット１０をステージ５３で黒矢印で示すように、押し上げ、インゴット１０を切断する。

図２は、２つのローラを有するマルチワイヤソー５７を模式的に示している。マルチワイヤソー５７は、ローラ５１ａ、５１ｂと、ローラ５１ａ、５１ｂ間で複数回、巻回されたワイヤ５０とを有する。ワイヤ５０は、ローラ５１ａとローラ５１ｂとの間において、等間隔で切削部分５０ｐが配置した切削網５１ｎを有する。ローラ５１ａとローラ５１ｂとの間で、ワイヤ５０により形成される切削網５１ｎによって、インゴット１０が同時にスライスされ、複数のウエハが得られる。図２に示すように、このタイプのマルチワイヤソー５７では、例えば、固定用ベース１４に支持されたインゴット１０を黒矢印で示すように押し下げ、切削網５１ｎとインゴット１０を接触させることにより、インゴット１０を切断する。

ワイヤ５０には、例えば、固定砥粒ワイヤを用いる。具体的には、高硬度材料の切断に適した、高硬度の砥粒が電着によって芯線に固着されているものを用いる。高硬度の砥粒は超砥粒とも呼ばれる。図１（ｃ）は、ワイヤ５０の断面を模式的に示している。ワイヤ５０は芯線６０と芯線６０の側面に位置する砥粒６１と、メッキ層６２を含む。メッキ層６２は、例えば、Ｎｉなどからなる。砥粒６１は芯線６０の表面に位置しており、砥粒６１の周囲の芯線６０の表面および砥粒６１をメッキ層６２が覆うことによって、砥粒６１が芯線６０に固着している。

次に高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法の具体的な条件を説明する。ワイヤ５０の往復運動の１単位走行（サイクル）において、往路の走行距離をｂ_fとし、復路の走行距離をｂ_bとする。往路の走行距離ｂ_fと復路の走行距離ｂ_bが等しい（ｂ_f＝ｂ_b）場合、常にワイヤ５０の同じ部分でインゴット１０の切断が行われ、往復運動が繰り返し行われても、ワイヤ５０の新しい（virgin）部分が切断に使われることがない。その結果、切断が進むにつれてワイヤ５０の切れ味が悪くなってしまう。

このようなワイヤ５０の切れ味の低下を抑制し、往復運動を繰り返しても加工精度が一定に保てるように、１単位走行、あるいは、所定数の単位走行ごとに、ワイヤ５０の新しい部分が切削に使われるように、ｂ_fとｂ_bとを異ならせる。具体的には、ｂ_f＞ｂ_bまたはｂ_f＜ｂ_bとなるように、ワイヤ５０の往復運動を設定する。これにより、１単位走行ごとに、ｂ_f−ｂ_b（またはｂ_b−ｂ_f）分だけ、ワイヤ５０の新しい（virgin）部分が切断に使われるため、往復運動を繰り返しても加工精度を一定に保つことができる。

本願明細書では、ワイヤ５０の往復運動の１単位走行において、走行距離の長い方を往路（つまりｂ_f＞ｂ_b）と決定し、（ｂ_f＋ｂ_b）／２をワイヤ連続走行距離ｂと定義する。またこの時、１単位走行においてワイヤ５０の新しく繰り出される長さを、新線繰出量と呼ぶ。新線繰出量をｄと定義すると、ｄ＝ｂ_f−ｂ_bである。

ここで、インゴット１０における切断が進む方向からインゴット１０をワイヤ５０に投影した場合において、切断される複数個所における投影されたインゴット１０の長さの和を最大接触総長ａと定義する。例えば、図３に示すように、インゴット１０における切断が進む方向（白矢印）から、インゴット１０をワイヤにインゴットを投影した場合における１つの切断個所の長さをＤ’とする。ワイヤ５０による切削網５１ｎがｎ箇所（ｎは１以上の整数）でインゴット１０を切断する場合、インゴット１０とワイヤ５０との最大接触総長ａは、ｎ×Ｄ’で示される。インゴット１０が円柱形状を有する場合、Ｄ’はインゴットの断面である円の直径Ｄである。インゴット１０の断面形状は円に限られず、楕円や多角形であってもよい。

上述したように、特許文献１は、ウエハのうねりを小さくするために、ワイヤを短いサイクルで往復させること、つまり単位走行の時間を短くすることを教示している。往復の単位走行の時間が短いとは、インゴット１０とワイヤ５０との最大接触総長ａに比べて、ワイヤ連続走行距離ｂがあまり長くないことを意味する。通常、ワイヤ連続走行距離ｂは最大接触総長ａの数倍から１０倍以下である。

しかし、本願発明者の検討によれば、単位走行の時間は長い方が加工精度を高められることが分かった。具体的には、ｃ１＝ｂ／ａとした場合、ｃ１≧２０に設定する。また、ｃ２＝ｄ／ａとした場合、０．３５≦ｃ２≦１．５５に設定する。

その理由について以下に説明する。まず、インゴットとワイヤとの最大接触総長の２０倍以上のワイヤ連続走行距離（ｃ１≧２０）で、ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返すことによって、インゴットと接触する切削網全体におけるワイヤの仕事量を、従来よりも小さく、かつ、平均化することができ、インゴットから切り出さされる複数枚のウエハのうねりや反りを小さくすることができる。また、単位走行におけるワイヤの新線繰出量を最大接触総長の０．３５倍以上１．５５倍以下（０．３５≦ｃ２≦１．５５）にすることによって、ワイヤの良好な切れ味を長期間維持することができる。これにより、ワイヤがインゴット切断中に受ける応力も小さくなり、インゴット切断中、ワイヤの断線が発生するのを抑制することができる。また、ウエハのうねりや反りを抑制できるため、薄いウエハの切り出しが可能となり、インゴットから切り出せるウエハの数を多くすることができる。また、切り出したウエハの反りが小さいため、製品に仕上げるまでに要するウエハの研磨や鏡面仕上げに要する時間も短くなる。したがって、本実施形態によれば、高硬度材料からなるウエハを従来よりも低コストで製造することが可能となり、また、結果的に製造に要する時間も短くすることができる。また、新線繰出量を上述した範囲に設定することによって、高い加工精度を維持しつつ、新線繰出量を従来よりも少なくすることも可能であるため、ウエハあたりのワイヤの消費量を低減し、ワイヤの使用コストも低減することが可能となる。

図４（ａ）は、本実施形態の方法における、ワイヤ５０の走行速度の時間変化を模式的に示している。図４（ａ）において、横軸はワイヤ５０が走行を開始した時刻からの時間を示し、縦軸は、走行速度Ｖを示している。縦軸が正の領域では、ワイヤ５０は往方向に走行し、負の領域では復方向に走行している。ワイヤ５０の往方向の走行および復方向の走行において、それぞれ同じ絶対値でワイヤ５０が加速し、一定の速度に達した後、同じ絶対値で減速する。図４（ａ）において、領域Ａ_Fの面積は、往方向におけるワイヤ５０の走行距離ｂ_fを示し、領域Ａ_Bの面積は、復方向におけるワイヤ５０の走行距離ｂ_bを示す。復方向の走行における一定速度を維持する時間ｔ_Bを往方向の走行における一定速度を維持する時間ｔ_Bより短くすることによって、領域Ａ_Bが領域Ａ_Fよりも小さくなり、復方向の走行距離が短くなる。図４（ａ）において、往方向の走行と復方向の走行とを含む単位走行の期間はＳａで示される。また、領域Ａ_Bと領域Ａ_Fとの差（Ａ_F−Ａ_g）が新線繰出量ｄである。

図４（ｂ）は、従来のマルチワイヤソーによるインゴットの切断方法において用いられるワイヤ５０の走行速度の時間変化を示している。往方向におよび復方向における一定速度を維持する時間ｔ_F’および時間ｔ_B’が本実施形態に比べてそれぞれ短いため、領域Ａ_F’の面積および領域Ａ_B’の面積が本実施形態に比べてそれぞれ小さい。このため、往路の走行距離ｂ_f’および復路の走行距離ｂ_b’がそれぞれ本実施形態に比べて短く、往方向の走行と復方向の走行とを含む単位走行の期間も本実施形態に比べて短い。

ｃ１は、インゴットとワイヤとの最大接触総長の単位長さあたりのワイヤ５０の長さを示している。ｃ１が大きいほど、ワイヤ５０の１回の単位走行で長いワイヤが使われ、ワイヤ５０の単位長さあたりの負荷（仕事量）は低下する。

またｃ２は、インゴットとワイヤとの最大接触総長の単位長さあたりの新線繰出量を示している。例えば図１（ｃ）に示すように、新しいワイヤ５０において、砥粒６１の表面はメッキ層６２で覆われている。このため、固定砥粒ワイヤの切れ味は、一般に、（１）砥粒６１の表面がメッキ層６２で覆われていることにより、切れ味が悪い初期状態、（２）砥粒６１が露出し良好な切れ味を維持している中期状態、（３）砥粒の目つぶれ、目こぼれにより、切れ味が悪い終期状態、で遷移する。高い加工精度でインゴット１０を切断するためには、良好な切れ味を維持している中期状態を維持することが重要である。以上のことはワイヤの種類に限定されず、例えば、遊離砥粒の場合においてもワイヤ自体が磨耗し、断線しやすくなるために上記範囲内であることが好ましい。本願発明者の詳細な検討によれば、ｃ２が上述の範囲にある場合、ワイヤ５０の良好な切れ味を長期間維持できることが分かった。

ｃ１は大きい方が好ましいが、ｃ１が大きくなりすぎると、ワイヤ５０の１回の単位走行で使用されるワイヤ５０が長くなりすぎ、ワイヤ５０の使用量が増大する結果、コストが増大してしまう。また、インゴット１０を切断中にワイヤ５０が断線した場合、ワイヤを結び直す必要があるが結び目によってインゴットが破壊されるのを防ぐためにワイヤ連続走行距離ｂ分のワイヤ５０を交換する必要があるため、ワイヤ５０の断線が生じた場合に、廃棄すべきワイヤ５０の部分が増大してしまう。このため、経済的観点からは、ｃ１は２０≦ｃ１≦８０、つまり、ワイヤ連続走行距離ｂは最大接触総長ａの２０倍以上８０倍以下であることがより好ましい。

ｃ１を２０≦ｃ１≦８０に設定することによって、インゴット１０と接触する切削網５１ｎ全体におけるワイヤの仕事量を従来よりも小さく、かつ、平均化することができ、インゴット１０から切り出される複数枚のウエハのうねりや反りを小さくすることができると考えられる。加えて、経済的にも好ましい。

さらに、詳細な研究・検討の結果、切り出したウエハの反りの大きさは、上述した係数ｃ１およびｃ１の積に比例すると考えられることが分かった。ｃ１が大きく、ワイヤ５０の単位長さあたりの負荷が小さい場合には、ｃ２を小さく設定し、新線繰出量が少なくても、高い加工精度を維持できる。一方、ｃ１が小さく、ワイヤ５０の単位長さあたりの負荷が大きい場合には、ｃ２を大きく設定し、新線繰出量を大きくする方が高い加工精度を維持できる。

例えば、インゴット１０から、直径が６インチであり、主面がｒ面であり、厚さが０．８５μｍのウエハを切り出した場合において、ウエハの反りを６０μｍ以下にしたい場合、ｃ１とｃ２とは、以下の不等式（１）を満たしていることが好ましい。
３０≦ｃ１×ｃ２≦１１５ （１）

より好ましくは、以下の不等式（２）を満たしていることが好ましい。
５０≦ｃ１×ｃ２≦９０ （２）

ただし、ｃ１≧２０および０．３５≦ｃ２≦１．５５である。また、ここで、ウエハの反りＷａｒｐ（μｍ）は、ウエハの直径の３％内側の位置、つまり、ウエハの半径の９７％の半径で規定される円周上において、１２０°間隔で設定する３つの点での高さを基準平面とした場合における、ウエハ面内の最低高さの絶対値と最高の高さの絶対値の合計で定義される。

本実施形態の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法は、種々の面方位を有する高硬度材料のインゴットから、各種の面方位を主面とするウエハの切断に適用可能である。インゴットが主面および主面以外の少なくとも１つの劈開面を有する場合、主面と劈開面との交線に対して非平行な方向にワイヤ５０を走行させることが好ましい。これにより、ワイヤによる切断に伴って、劈開が生じるのが抑制され切断の加工精度を高めることができる。より好ましくは、主面と劈開面との交線に対してと直交する方向に対して±１０°以内の方向にワイヤ５０を走行させる。高硬度材料が六方晶系の結晶構造を備えている場合を以下に詳述する。ここで「六方晶系の結晶構造」とは、ｃ面、ｍ面、ｒ面に相当する結晶格子を有する結晶構造を示しており、六方晶やそれに近似可能な結晶構造も含まれる。

図５（ａ）は六方晶系におけるｃ面、ｍ面およびｒ面の配置関係を示している。六方晶系の結晶構造の単位格子は六角柱形状を有し、六角柱の底面および上面がｃ面であり、側面がｍ面である。また、ｒ面（ハッチングで示している）は２つのｃ面間において、正六角形の対向する位置にある２つの辺を通る平面である。

図５（ｂ）は、ｒ面に垂直な方向から見たｃ面およびｍ面の配置関係を示し、（ｃ）は、ｃ面に垂直な方向から見たｒ面およびｍ面の配置関係を示し、（ｄ）は、ｒ面とｃ面との交線に平行な方向から見たｃ面、ｍ面およびｒ面の配置関係を示している。ｒ面はｃ面およびｍ面と平行ではないため、ｒ面とｃ面との交線がｒ面上に存在する（破線）。交線は、＜１１−２０＞方向と平行である。図５（ｃ）に示すように、ｃ面には、ｍ面とｃ面の交線も存在する（太い実線）。

図６は、ｒ面を主面とするインゴットからｒ面を主面とするウエハを切り出す場合において、好ましいワイヤ５０の走行方向とインゴットにおける結晶面との関係を示しており、（ａ）はｒ面から見た関係を示し、（ｂ）は、ｒ面に対して垂直な方向から見た関係を示している。

六方晶系の結晶構造では、ｃ面およびｍ面が劈開しやすい面である。このため、六方晶系の高硬度材料のインゴットからｒ面を主面とするウエハを切り出す場合、劈開の影響を抑制するために、主面とｃ面との交線または主面とｍ面と交線に対して非平行な方向にワイヤを走行させることが好ましい。この場合、インゴットにおける切断が進む方向は主面とｃ面との交線または主面とｍ面と交線に対して非垂直である。より好ましくは、ｒ面とｃ面（あるいはｍ面）との交線と直交する方向に対して±１０°以内の方向にワイヤを走行させる。また、インゴットにおける切断が進む方向は、ｒ面とｃ面（あるいはｍ面）との交線に対して±５°以内の方向であることが好ましい。この方向にワイヤ５０を走行させることによって、ワイヤの蛇行を抑制し、ワイヤの断線発生や切り出したウエハの反りを低減させることが可能である。

本実施形態の切断方法によって切り出されるウエハの主面は、ｒ面以外であってもよい。例えば、ｃ面を主面とするインゴットからｃ面を主面とするウエハ、あるいは、ｃ面の法線から±１０°以内の角度（オフ角度ともいわれる）で傾斜した主面を有するをウエハを切り出す場合にも本実施形態の切断方法を好適に用いることができる。この場合、ｃ面あるいはｃ面の法線から±１０°以内の角度（オフ角度ともいわれる）で傾斜した主面とｍ面との交線の直交する方向に対して±１０°以内の方向にワイヤを走行させてよい。また、インゴットにおける切断が進む方向は、ｃ面あるいはｃ面の法線から±１０°以内の角度で傾斜した主面ｍ面との交線に対して±５°以内の方向に設定してもよい。

（実施例）
以下、本実施形態の切断方法によって、高硬度材料のインゴットを切断し、ウエハの反りなどを調べた実験例を説明する。

高硬度材料のインゴットとして、ｒ面を主面とするウエハを切り出せるように、直径１５０ｍｍ（６インチ）の円柱状の単結晶サファイアのインゴットを用意した。下記に示す、マルチワイヤソー、固定砥粒ワイヤおよび切削液を用いてインゴットを切断した。

マルチワイヤソー：タカトリ製マルチワイヤソー ＭＷＳ−３４
ワイヤ： アライドマテリアル製 ダイヤモンド電着ワイヤ
（ワイヤの直径：１８０μｍ、砥粒の平均粒径：３５μｍ）
切削液： アライドマテリアル製 ＤＫＷ−２

切り出すウエハの厚さ、インゴットとワイヤとの最大接触総長ａ、連続走行距離ｂ、新線繰出量ｄを以下の表に示す値に設定し、実施例１-８および比較例１−６としてインゴットを切断した。その他の条件は以下の通りである。

切断切り込み速度：０．０６ｍｍ／ｍｉｎ
ワイヤ走行速度（最大）：４００ｍ／ｍｉｎ
ワイヤ走行加速度：±３．３ｍ／ｓｅｃ²
ワイヤ走行方向：切断するウエハの主面がｒ面であり、ｒ面とｃ面との交線に非平行である直交方向（図６（ａ）における白抜矢印の方法）

切断したウエハの加工精度は、ウエハの反りＷａｒｐ（μｍ）によって評価した。Ｗａｒｐ（μｍ）は、Corning Tropel製のFM200XRA装置を用い、ウエハの直径の３％内側の位置、つまり、ウエハの半径の９７％の半径で規定される円周上において、１２０°間隔で設定する３つの点での高さを基準平面とした場合における、ウエハ面内の最低高さの絶対値と最高の高さの絶対値の合計で定義し、切断した全ウエハの平均値を求めた。

表１に結果を示す。また、表１に、ｃ１（＝ｂ／ａ）、ｃ２（ｄ／ａ）およびｃ１×ｃ２の値、並びに、ウエハ１枚当たりワイヤ消費量も算出した。

また、ｃ１×ｃ２の値を横軸に、ウエハの反りＷａｒｐを縦軸にとり、切り出したウエハの厚さに係るグラフを作成した。結果を図７に示す。

表１から分かるように、ｃ１を２０以上に設定し、ｃ２を０．３５以上１．５５以下に設定した実施例１〜８のウエハの反りは、６０μｍ以下であった。これらの実施例のｃ１×ｃ２は不等式（１）の範囲内にある。特に、不等式（２）を満たす実施例、１、２、４、６、７では、ウエハの反りＷａｒｐは、４０μｍ以下である。

これに対し、ｃ１が２０未満であり、ｃ２が０．３５未満または１．５５を超える比較例１〜６のウエハの反りは、６０μｍよりも大きくなった。特に比較例１〜４の結果から、ｃ１の値が小さい場合（従来の切断条件）、ウエハの反りが大きくなっている。また、比較例６の結果から分かるように、ｃ１が２０以上であっても、Ｃ２が１．５５より大きい場合、ウエハの反りは、６０μｍを超える。これは、新線の表面にはメッキ層などが形成されており、初期状態では新線の切れ味が悪いため、新線繰出量が大きい場合、新線の初期状態の影響を大きく受けるからと考えられる。

図７に示すように、ウエハの反りは、ｃ１×ｃ２の値が７０程度で最も小さくなり、７０よりも大きくても、小さくてもウエハの反りは、大きくなると考えられる。具体的には、ｃ１×ｃ２の値が３０より小さくても、１１５より大きくても、ウエハの反りは、６０μｍよりも大きくなる。これは、ｃ１×ｃ２の値が３０より小さい場合、ワイヤ５０が接触するインゴットの単位長さあたりのワイヤ５０の長さが短く、ワイヤ５０の単位長さあたりの負荷が過大である状態、または、新線繰出量が小さく、ワイヤ５０の切れ味が悪い終期状態で、インゴットを切断しているからと考えられる。また、ｃ１×ｃ２の値が１１５より大きい場合、上述したように、新線繰出量が大きく、ワイヤ５０の切れ味が悪い初期状態で、インゴットを切断しているからと考えられる。

表１に示すように、実施例１、２、５と比較例１、３、６とにおけるウエハ１枚当たりのワイヤ消費量はいずれも１８５程度であり等しい。このことは、ワイヤ消費量が同じであっても、切断条件を変えることによって、反りの小さいウエハを切り出すことが可能であることを示している。

また、実施例６〜８では、ワイヤ消費量が９０程度であり小さい。このため、使用するワイヤのコストを低減するという観点では、ｃ１は６５以上１１５以下であり、ｃ２が０．６以上1以下であることが好ましいことが分かる。

次に、切り出すウエハの厚さを８５０μｍに設定し、六方晶系の結晶構造を有するサファイヤのインゴットに対して、ｒ面とｃ面との交線に直交する方向にワイヤを走行させ、ｒ面を主面とするウエハの切断を行い、得られたウエハの反りＷａｒｐを評価した。切断中に発生したワイヤの断線回数を合わせて示す。表２に示していない条件は、実施例１〜８と同じである。

表２に示すように、ｒ面を主面とするウエハを切り出す場合、ｒ面とｃ面との交線に直交する方向にワイヤを走行させる実施例２１では、ｃ１が２０以上であり、ｃ２が０．３５以上１．５５以下であることにより、ウエハの反りＷａｒｐが６０μｍ以下になっている。この時、インゴットにおける切断が進む方向は、ｒ面とｃ面との交線に平行である。

本願に開示された高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法は、種々の結晶成長方法によって製造され、種々の大きさを有する高硬度材料のインゴットを切断するのに好適に用いることができる。

１０ インゴット
１４ 固定用ベース
５０ ワイヤ
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ ローラ
５３ ステージ
５６、５７ マルチワイヤソー
６０ 芯線
６１ 砥粒
６２ メッキ層

Claims (11)

1. 高硬度材料のインゴットをマルチワイヤソーにより同時に複数個所で切断し、複数のウエハを切り出す、高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法であって、
   前記インゴットにおける切断が進む方向から前記インゴットをワイヤに投影した場合において、前記切断される複数個所における投影されたインゴットの長さの和を最大接触総長ａとし、ワイヤ連続走行距離をｂとし、ｃ１＝ｂ／ａとすると、ｃ１≧２０で、前記ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返し、
   前記単位走行ごとにワイヤの新しい部分が切削に使用されるように、前記往復運動の往路の走行距離および復路の走行距離を異ならせ、
   前記単位走行における前記ワイヤの新線繰出量をｄとし、ｃ２＝ｄ／ａとすると、０．３５≦ｃ２≦１．５５である、高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
2. ２０≦ｃ１≦８０で、前記ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返す、請求項１に記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
3. ６５≦ｃ１≦１１５および０．６≦ｃ２≦１で、前記ワイヤを往復運動させる単位走行を繰り返す、請求項１に記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
4. 前記ｃ１および前記ｃ２は以下の関係
   ３０≦ｃ１×ｃ２≦１１５
   を満たしている、請求項１から３のいずれかに記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
5. 前記ｃ１および前記ｃ２は以下の関係
   ５０≦ｃ１×ｃ２≦９０
   を満たしている、請求項４に記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
6. 前記ワイヤは、電着によって超砥粒が固着されている請求項１から５のいずれかに記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
7. 前記高硬度材料は、１５００以上のビッカース硬度を有する請求項１から６のいずれかに記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
8. 前記高硬度材料は、炭化珪素、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、窒化ホウ素、酸化亜鉛、酸化ガリウムおよび二酸化チタンからなる群から選ばれる１つである、請求項１から７のいずれかに記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
9. 前記インゴットの結晶格子は少なくとも１つの劈開面を有し、前記インゴットから切断したウエハは主面を有し、
   前記主面と前記劈開面との交線に対して非平行な方向に前記ワイヤを走行させる請求項１から８のいずれかに記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
10. 前記高硬度材料は六方晶系の結晶構造を有し、前記インゴットの主面はｒ面であり、前記１つの劈開面はｃ面である請求項９に記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。
11. 前記高硬度材料は、サファイアであり、前記主面はｃ面であり、前記少なくとも１つの劈開面はｍ面である請求項９または１０に記載の高硬度材料のマルチワイヤソーによる切断方法。

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