JP7102422B2 - ワイヤソー、ワイヤガイドロール、およびインゴットから複数のウェハを同時に切出すための方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造化ワイヤおよび溝付きワイヤガイドロールによってインゴットから複数のウェハを同時に切出すための方法に関する。本発明はさらに、ワイヤソーおよびワイヤガイドロールに関する。

インゴットを複数のウェハに同時に研磨切断するための装置は、ワイヤと、複数のワイヤガイドロールと、インゴットを移動させるための装置とを含む。ワイヤガイドロールは直円柱の形状をそれぞれ有し、軸をそれぞれ有し、当該軸の周りに回転可能に装着され、横方向の円柱面をそれぞれ有し、当該円柱面には、当該軸に対して垂直な平面内に互いに離間した複数のそれぞれ閉じた連続溝が設けられている。ワイヤは、互いに平行に単一平面内に延びるワイヤのセクションのウェブがワイヤガイドロールのうちの２つの間にまたがるように、ワイヤガイドロールの周りに螺旋状に当該溝の中を導かれる。

上述の装置においてインゴットを複数のウェハに同時に研磨切断するための方法は、キャリア液体中で研磨作用する硬質材料のスラリーを供給しつつ、ワイヤガイドロールをそれらの軸の周りに同時回転させることと、インゴットをワイヤウェブに向かって垂直にかつワイヤウェブの中を移動させるために当該装置によってインゴットを送ることとを含む。ワイヤガイドロールがそれらの軸の周りに回転すると、この場合、ウェブのワイヤセクションがインゴットに対して移動する。ウェブに対して垂直にインゴットを送ることによって、ワイヤセクションはインゴットに接触し、インゴットを送り続けると、ワイヤセクションはインゴットに力を加える。硬質材料、力および相対移動はインゴットの材料浸食に繋がるので、ワイヤセクションはインゴットを通ってゆっくりと作用する。ワイヤセクションは、この場合、インゴットを完全に切断した後に同一形状の複数のウェハが提供されるように、インゴット内に互いに平行に延びる切断カーフを生成する。

多くの用途について、同一形状の複数のウェハが、それらの厚みの高い均一性およびそれらの表面全体にわたる高い平坦性とともに要求され、たとえば、単結晶半導体材料のインゴットからのウェハが、光起電部品、電子部品、超小型電子部品もしくは超小型電気機械部品または光学基板（「オプティカルフラット」）を製造するための基板として要求され、これらはさらに、特に経済的に、かつ大きいバッチ数で製造されるべきである。研磨ワイヤ切断は、これにとって特に重要である。

研磨ワイヤ切断のための装置および方法は、たとえばＧＢ７１７８７４Ａに記載されている。

研磨ワイヤ切断の際、ワイヤはその長手方向において供給（ストック、新しいワイヤ）スプールから巻取り（受取り、古いワイヤ）スプール上に移動する。一方向のみの移動、および移動方向が連続的に方向反転する移動を用いる実施形態が知られている。これらの移動は可変速度で実行され得る。一方向のみのワイヤ移動を用いる研磨ワイヤ切断は一方向ソーイングと称されるのに対して、連続的に方向反転する研磨ワイヤ切断は「往復運動」法または「折返しステップ」モードのソーイングと称される。

研磨ワイヤ切断の際、ワイヤは摩耗を受ける。ワイヤの直径は、この場合、新しいワイヤ供給側（新しいワイヤスプール）から古いワイヤ排出側（古いワイヤスプール）に向かってワイヤウェブを通過する際に減少する。このようにワイヤ直径が摩耗のために減少し、ワイヤガイドロール上のワイヤガイド溝の間隔は同じであるため、インゴットの切断によって得られるウェハの厚みは新しいワイヤ側から古いワイヤ側に向かって増加する。

これを補償するために、ＤＥ１０２３７２４７Ａ１によると、ワイヤガイドロール上の２つの溝同士の間の間隔がワイヤ入口側からワイヤ出口側に向かって減少することが意図されている。溝間隔が減少するため、ソーイングワイヤが薄くなるにもかかわらず、加工対象物から均一な厚みのウェハを切出すことができる。

ワイヤソーの１つの必須の要素は、ワイヤガイドロールである。これは鋼鉄または複合プラスチック製のローラ形状体であり、その機能面は通常は直円柱の形状を形成する。当該機能面は従来、通常はポリウレタン、特に熱硬化性ポリウレタンである強靭な耐摩耗性プラスチックのコーティングを含む。ポリウレタン層には、ワイヤを受けて導く溝が設けられる。

溝は溝底部および溝側部を含む。ワイヤは溝底部に当接し、溝側部は、ワイヤが近隣の溝のうちの１つに飛込まないように、ワイヤが入るとワイヤを「捕らえ」て溝の中心に置く。Ｖ字状の溝を有するワイヤガイドロールは先行技術において、たとえばＪＰ２００６１０２９１７Ａから公知である。

さらに、湾曲した溝底部を有するワイヤガイドロールが公知である。ＤＥ１０２００７０１９５６６Ａ１は、円筒状加工対象物から複数のウェハを同時に切出すためのワイヤソーで用いるワイヤガイドロールを開示しており、当該ワイヤガイドロールには、少なくとも２ｍｍであり７．５ｍｍ以下である厚みを有し、少なくとも６０であり９９以下であるショアＡ硬度を有する材料からなるコーティングが設けられており、当該ワイヤガイドロールは複数の溝をさらに含み、当該溝を通ってソーイングワイヤが導かれ、当該溝はそれぞれ、ソーイングワイヤ直径Ｄの０．２５～１．６倍によって与えられる曲率半径を有する湾曲した溝底部を有し、６０～１３０°の開口角度を有する。本発明ではしたがって、溝底部がソーイングワイヤよりも狭くてもよい、およびソーイングワイヤ以上であってもよい溝を記載する。特別な溝形状によってワイヤの最適な誘導が確実になり、これによって切断品質が向上する。ワイヤガイドロールの摩耗はコーティングの硬度および厚みによって最小化される。

先行技術から公知のワイヤガイドロールは、直線または平坦ワイヤの使用に関する。これは、非常に大きい高さの鋼鉄、金属またはプラスチックの一般的な円柱の体積を指す。この円柱の高さはワイヤ長手方向と称され、ベース面はワイヤ断面と称される。丸い平坦ワイヤと称される円形断面を有する平坦ワイヤ、特に鋼鉄からなる平坦ワイヤ（「ピアノ線」）が重要である。

しかしながら、平坦ワイヤ以外にも、構造化ワイヤの使用も想定され得る。
構造化ワイヤとは、その長手方向に沿って設けられた平坦ワイヤであって、ワイヤ長手方向軸に対して垂直な方向においてその断面の複数の窪みおよび突起を有する、またはサイズおよび形状に関してその断面積の複数の変化を有する平坦ワイヤを意味することが意図されている。

自身の断面積の形状およびサイズは変化せず、自身の全長に沿って周期的にワイヤ長手方向に対して垂直に断面が等量だけ変位した、平坦な丸い鋼線からなる構造化ワイヤが特に重要である。これらの変位は「クリンプ」と称され、変位の大きさはクリンプの振幅と称され、２つの変位同士の間の長手方向における長さは波長と称されることが多い。構造化ワイヤの基礎となる平坦ワイヤは、構造化ワイヤの「コアワイヤ」とも称される。

自身の長手方向に対して垂直な２つの平面内にクリンプが設けられており、クリンプのそれぞれが振幅および波長を有する構造化ワイヤの例は、ＷＯ２００６／０６７０６２Ａ１によって提供される。

クリンプ同士の間の中間スペースは「ポケット」または「リザーバ」として作用し、ポケットまたはリザーバの中に、同等の直径の平坦ワイヤを用いて可能であるよりも多くのスラリーが、ワイヤ長手方向におけるワイヤの移動中に拭取られることなくワイヤによって運ばれることができる。したがって、構造化ワイヤは、平坦ワイヤよりも、ワイヤとインゴットとの大きい係合長さにわたっても、塗布される研磨スラリーを良好に搬送することができる。

このため、原理上は構造化ワイヤの使用が望ましいことになる。

しかしながら、発明者は、先行技術において公知のワイヤガイドロールおよび溝形状は、構造化ワイヤによってインゴットを研磨切断するための方法には不適切であることを発見した。

一方では、ワイヤの曲げまたはワイヤに対する過負荷のために断線が観察されることが多い。断線は望ましくない。というのも、断線によって切断プロセスが中断され、断線を修理して中断された切断プロセスを続行できるようにするためには多額の支出を要し、その後に得られるウェハは望ましくないうねりまたは不均一な厚みを有するからである。さらに、切断されたワイヤウェブに残っているワイヤセクションを誘導溝から取出すことができるようにするのは困難であった。

他の場合では、従来のワイヤガイドロール上の構造化ワイヤの使用は、表側および裏側がうねったウェハに繋がる。このようなウェハは、それらの表面上で厚みおよび平坦性が異なり、電子部品用の基板としては不適切である。

構造化ワイヤを用いた研磨切断の際、ワイヤガイドロールのポリウレタンコーティング内に先行技術に従って形成された溝の特に高い急速な摩耗も観察されており（深く切込まれたまたは不規則に広がった溝）、これは平坦性および厚みが非常に劣ったウェハに急速に繋がる。これは高コストを伴う。というのも、ワイヤガイドロールの交換および処理（研磨のやり直しおよび溝の再形成）が頻繁に必要となり、厳格な要件の範囲外の平坦性および厚みを有するウェハは拒絶されるからである。

本発明の目的は、構造化ワイヤ、溝付きワイヤガイドロールおよびスラリーを用いることによってインゴットを複数のウェハに同時に研磨ワイヤ切断するための方法を提供することであり、構造化ワイヤは切断せず、溝は低い摩耗を有し、良好な平坦性および厚みの均一性を有するウェハが得られる。

当該目的は、インゴットから複数のウェハを同時に切出すための方法であって、当該切出しは、構造化ソーイングワイヤのワイヤウェブにスラリーを塗布しつつ、同時回転する２つのワイヤガイドロールがまたがるワイヤウェブの中をインゴットが移動することによって行なわれ、ワイヤの構造化は、平坦なコアワイヤの長手方向に対して垂直なコアワイヤの複数の窪みおよび突起からなり、構造化ソーイングワイヤは２つのワイヤガイドロールの溝を通って導かれ、構造化ワイヤが当接する各溝の底部は曲率半径を有して湾曲しており、曲率半径は、各溝について、構造化ワイヤの包絡線の半径と等しいかまたは構造化ワイヤの包絡線の半径よりも最大で１．５倍大きく、構造化ワイヤは当該曲率半径をそれぞれの溝において有する方法によって達成される。

本発明はさらに、インゴットから複数のウェハを同時に切出すためのワイヤソーで用いるワイヤガイドロールであって、複数の溝を含み、複数の溝を通って構造化ソーイングワイヤーが導かれ、各溝は、それぞれの溝における構造化ソーイングワイヤの包絡線の半径の１～１．５倍によって与えられる曲率半径を有する湾曲した溝底部をそれぞれ有するワイヤガイドロールに関する。

当該目的はさらに、インゴットから複数のウェハを同時に切出すためのワイヤソーであって、本発明に従う２つのワイヤガイドロールを含み、構造化ワイヤは、互いに平行に延びるワイヤのセクションの平面ワイヤウェブが２つのワイヤガイドロール同士の間に形成されるように、２つのワイヤガイドロール周りの溝における構造化ワイヤの包絡線の底面に対して垂直に作用する張力の下で螺旋状に導かれ、ワイヤソーはさらに、インゴットをワイヤウェブの平面に向かって垂直にかつワイヤウェブの中を移動させるための送り装置を含むワイヤソーによって達成される。

一実施形態では、ワイヤの構造化は、平坦ワイヤ（以下コアワイヤと称される）の長手方向に対して垂直な平坦ワイヤの複数の窪みおよび突起からなる。

構造化ワイヤについて、包絡線は、構造化ワイヤ全体を完全に含む最小直径の直円柱と定義される。この直円柱のベース面は有効断面と称され、円柱のベース面の直径は構造化ワイヤの有効直径と称され、円柱の包絡線の長手方向軸は構造化ワイヤの長手方向軸と称される。

好ましくは、コアワイヤの直径は１３０μｍから１７５μｍである。
好ましくは、構造化ワイヤの包絡線の直径は、コアワイヤの直径の１．０２から１．２５倍である。

定義される可変溝幅は、溝底部の曲率半径によって本発明の範囲内で定義され、本発明の必須の特徴である。

溝がワイヤのそれぞれの有効直径よりも狭い場合、ワイヤは溝にすっかり埋まることがあり、ワイヤガイドロールの回転時に不規則に（急に動いて、くっついて）再び溝に出入りすることがある。これは、観察される断線に繋がる。さらに、ワイヤウェブ中に残っているワイヤセクションを取出すことができるようにするのは困難である。同様に断線し得る平坦ワイヤの場合は、（断線位置から開始する）残りのワイヤ巻回部の取出しは、一方では、ワイヤ曲げ張力の結果として巻回部が溝から離れているために容易にかつ通常は自動的に達成される。

溝がワイヤのそれぞれの有効直径よりも広い場合は、幾何形状が劣ったウェハに繋がる。ワイヤはその構造化のために過度に広い溝に転がって出入りし、これは、切断面がそれに応じて歪んだ、劣ったワイヤ誘導に繋がる。

本発明の成功にとって極めて重要なのは、構造化ワイヤは平坦ワイヤとは根本的に異なって挙動するという発見である。

平坦ワイヤは、材料浸食（摩耗）のために均一の厚み減少を受ける。
他方、構造化ワイヤは、ワイヤ形状および使用度に応じて不均一の摩耗を受ける。

構造化ワイヤの有効直径は最初に急速に減少し、その後摩耗度が増加するにつれてより緩やかに減少する。ワイヤは、構造化ワイヤの基礎となるコアワイヤの表面全体にわたって等方的にかつ均一に摩耗する。さらに、クリンプの露出した「先端」の領域に異方性の摩耗が見出される（ワイヤはその場所で楕円形になる）。

特に良好な切断結果のためには、要求される条件が巻回ごとに、すなわち、その場所のワイヤ張力およびその場所の摩耗度によって定まるその場所の有効直径ごとに満たされるように、各溝の溝形状を構成する必要がある。

構造化ワイヤはその有効直径によって特徴付けられる。有効直径は、一方では、ワイヤ張力によって定まる。構造化ワイヤはコイルばねのように作用し、その直径も同様に、ばね軸方向における引張応力が増加するにつれて減少し、張力が減少するにつれて増加する。

また、構造化ワイヤの有効直径は、（瞬間の）摩耗状態によって定まる。
摩耗度は、ワイヤと移動したインゴットとの累積的な係合長さ、インゴット切断体積ごとに用いられるソーイングワイヤの長さ、および硬度（炭素含有率）、強度（たとえば最後の伸線工程における冷間硬化の程度などのワイヤ製造の仕様に起因する）等の性質に依存する。

本発明は、構造化ワイヤによってインゴットから複数のウェハを同時に切出すための方法に関する。ワイヤソーは、それ自体が公知の態様で、軸および溝を有するワイヤガイドロールと、送り装置とを含む。さらに、液体キャリア中に研磨作用する硬質材料のスラリーが供給される。

好ましくは、スラリーは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）、窒化ホウ素（ＢＮ）およびダイヤモンドからなる群から選択された硬質材料を含む。

特に、グリコールまたは油がキャリア液体として好適である。
好ましくは、構造化ワイヤは、互いに平行に延びるワイヤのセクションの平面ウェブがワイヤガイドロールのうちの２つの間に形成されるように、ワイヤガイドロールの周りの溝における構造化ワイヤの包絡線の底面に対して垂直に作用する張力の下で螺旋状に導かれる。

本発明の範囲において、ウェハという語は、そのベース面の直径と比較して小さい高さを有する一般的な円柱を指す。ウェハの円柱ベース面はウェハの裏側とも称され、円柱頂面は表側とも称される。一般的な円柱とは、固定距離（高さ）にわたって変位したときに、円柱のベース面を形成する任意の平面曲線によって掃引される体積を指す。一般的な円柱の頂面は、この場合、ベース面が高さに関する変位によって変換された後の表面を指す。

一実施形態は、多角形または円形のベース面を有する円柱の形態のインゴット、特に四角形、八角形または円形のベース面を有するインゴットを含む。多角形のベース面を有する円柱は角柱とも称される。

別の実施形態では、インゴットは単結晶または多結晶半導体材料からなる。
半導体の例は、シリコン、ゲルマニウムもしくは炭化ケイ素からなる元素半導体、またはガリウムヒ素ならびに周期表の第ＩＩＩおよび第Ｖ族の他の元素からなる化合物半導体である。角柱インゴットの例は、単結晶または多結晶シリコンのインゴットであり、そこから、太陽電池を製造するためのウェハが研磨切断によって製造される。

一実施形態は単結晶シリコンのインゴットを含み、そこから、電子要素、超小型電子要素または超小型電気機械要素を構造化するための基板としていわゆる「ウェハ」が研磨切断によって製造される。そのような基板に対しては、基板の表側および裏側の平面平行度に関して特に厳格な要件が課せられる。

電子部品用の基板として研磨ワイヤ切断によって製造される単結晶半導体材料のウェハは、特定の結晶方位を有しなければならないことが多い。研磨ワイヤ切断の前に材料を制御除去するための処理によって、ウェハの所望の結晶方位に対応する軸を有する直円柱インゴットが、より大きい不規則な形状の未処理の結晶から形成されることが多い。したがって、インゴット軸はワイヤガイドロールの軸と平行に整列することが好ましい。

代替案として、研磨切断後に得られるウェハの結晶方位以外の所望の結晶方位を有する直円柱インゴットも未処理の結晶から形成されることがあり、インゴット軸は次に、切断後に得られるウェハが後で所望の方位を有するように、ワイヤガイドロールの軸に対して傾いて方向付けられる。したがって、別の実施形態によると、インゴット軸は研磨ワイヤ切断の際にワイヤガイドロールの軸に対してある角度をなす。

一実施形態では、ワイヤの構造化はコアワイヤの複数の窪みおよび突起からなり、コアワイヤの断面積は形状およびサイズが変化しない。

一実施形態では、構造化ワイヤは、その長手方向にわたって平均的に、長手方向に対して垂直なすべての（任意の）平面内に延びる窪みおよび突起を有する。

一実施形態は、ねじれを有する構造化ワイヤを含む。ねじれは、ワイヤの長手方向についてのひねりを指す。

この場合、一実施形態では、長手方向に対して垂直なすべての（任意の）平面内でその長手方向にわたって平均的に延びる窪みおよび突起は、コアワイヤを長手方向に対して垂直な平面内に構造化することと、続いて構造化ワイヤを構造化ワイヤの長手方向軸の周りにねじる（ひねる）こととによって形成され、当該ねじる（ひねる）ことは、このようにしてもたらされるひねられた構造化ワイヤがつる巻き（円筒螺旋、コイル）形状を有するように行なわれる。

一実施形態では、長手方向に対して垂直なすべての（任意の）平面内のワイヤの長手方向にわたって平均的な構造化は、ワイヤ長手方向に対して垂直な第１の平面内に構造化された第１の振幅および第１の波長と、ワイヤ長手方向に対して垂直な、かつ第１の平面に対して垂直な第２の平面内に構造化された第２の振幅および第２の波長とを有して、次にこのような構造化ワイヤをその長手方向軸の周りにねじることによって形成される。

一実施形態では、溝の曲率半径は、新しいワイヤ入口側から古いワイヤ出口側に向かってワイヤウェブの溝の位置とともに厳密に単調には減少しない。これは、構造化ワイヤの不均一な摩耗を考慮している。

ワイヤガイドロールのそれらの軸の周りの同時回転、ワイヤウェブ上へのスラリーの供給、インゴットが送り装置によってワイヤウェブの平面に向かって垂直に移動すること、およびスラリーを供給してワイヤガイドロールを回転させつつインゴットをウェブのワイヤセクションに接触させることによって、インゴットは、ワイヤウェブの平面に向かって垂直なインゴットのさらなる移動によって完全に切断され、スラリーの継続供給およびワイヤガイドロールの回転によってワイヤウェブを通って切断される。

一実施形態では、ワイヤの移動は、数対の方向反転が連続的に進行することからなり、１対の方向反転は、第１の長さにわたるワイヤ長手方向の第１の方向におけるワイヤの第１の移動と、その後の第２の長さにわたる第１の方向と正反対の第２の方向におけるワイヤの移動とをそれぞれ含み、第１の長さは第２の長さよりも大きいように選択される。これは以下で往復運動法または「折返し工程」モードと称される。

ワイヤ移動の交互方向のおおよその対称性のために、噛込みが大幅に減少したウェハが往復運動法によって研磨ワイヤ切断の際に形成される。しかしながら、往復運動による研磨ワイヤ切断の主な利点は、ワイヤの移動方向が連続的に反転するために、材料浸食に繋がる硬質材料のスラリーをインゴットの中央まで搬送するだけでよいことである。したがって、ワイヤとインゴットとの非常に大きい最大係合長さを有するインゴット、たとえば直径３００ｍｍまたは４５０ｍｍの単結晶半導体材料のインゴットも切断可能である。

一実施形態では、ワイヤは、第１の長さにわたる第１の方向における移動時にワイヤ長手方向において第１の引張力でワイヤストックからワイヤウェブに送られ、第２の長さにわたる第２の方向における移動時にワイヤ長手方向において第２の引張力でワイヤストックからワイヤウェブに送られる。

一実施形態では、第１の引張力に対する第２の引張力の比率は、第１の方向における第１の移動時にワイヤウェブを出るワイヤセクション内のコアワイヤの最小断面積と、第１の方向における第１の移動時にワイヤストックからワイヤウェブに送られるワイヤセクション内のコアワイヤの最大断面積との比率と等しいように選択される。

一実施形態では、第１の引張力に対する第２の引張力の比率は、第１の方向における第１の移動時にワイヤウェブを出るワイヤセクションの包絡線の断面積と、第１の方向における第１の移動時にワイヤストックからワイヤウェブに送られるワイヤセクションの包絡線の断面積との比率と等しいように選択される。

ワイヤガイドロールの製造、またはワイヤガイドロールの溝付けは、作るべき溝よりも薄く、かつ必要なそれぞれの溝の外形に従って動く研削工具または旋盤工具によって、それ自体が公知の態様で行なわれる。

必要な溝幅（溝底部の曲率半径）は、ワイヤ張力の変化、ワイヤ材料（強度）の選択、および特に、インゴット切断体積ごとに用いられるワイヤの長さによって変わる。

摩耗のためにウェブ位置が増加するにつれて減少するワイヤ直径を補償するために溝間隔を減少させることが先行技術から既に公知である。本発明に従うワイヤガイドロールの製造時には、個々のウェブ位置ごとの溝幅はさらに、ワイヤ長さおよびワイヤ張力を考慮して、用いられる構造化ワイヤの有効直径に一致するように選択され、すなわち、各溝について、溝底部の曲率半径は溝における構造化ソーイングワイヤの有効直径の１～１．５倍に対応する。

丸い平坦ワイヤを示す図である。 構造化ワイヤを示す図である。 引張力の影響下の構造化ワイヤを示す図である。 ねじれを有する構造化ワイヤを示す図である。 引張力およびねじれを有する構造化ワイヤを示す図である。 ワイヤウェブ中のそれぞれ測定されたワイヤセクションの位置に対するウェブ中の測定された引張力の測定曲線を示す図である。 ワイヤウェブ中の測定位置に対する構造化ワイヤの有効直径の測定曲線を示す図である。 引張力に対する構造化ワイヤの有効直径の測定曲線を示す図である。 ２つのウェブ位置におけるワイヤガイドロールの詳細を示す図である。

一実施形態では、ワイヤガイドロール１４の軸２１からの各溝の最小距離は、各溝におけるワイヤガイドロール１４の軸２１からの最大距離を有する包絡線のすべての点がワイヤガイドロール１４の軸２１から同じ距離を有するように選択される。

上述の本発明に従う方法の実施形態に関連して示す特徴を、対応して本発明に従う装置に適用してもよい。反対に、上述の本発明に従う装置の実施形態に関連して示す特徴を、対応して本発明に従う方法に適用してもよい。本発明に従う実施形態のこれらおよび他の特徴は、図の説明および請求項で説明する。個々の特徴を本発明の実施形態として別々にまたは組合せて実現してもよい。さらに、それらは、独立して保護可能な有利な実施形態を記載することがある。

構造化ワイヤは、そのクリンプによって形成される「ポケット」または「リザーバ」のために、平坦ワイヤよりも、ワイヤとインゴットとの大きい係合長さにわたっても、塗布される研磨スラリーを良好に搬送することができ、横方向のインゴット表面上のスラリーの大半は、切断カーフに入る際にポケットまたはリザーバから拭取られる。したがって、構造化ワイヤを用いる研磨ワイヤ切断は、たとえば直径３００ｍｍまたは４５０ｍｍの単結晶シリコンのインゴットなどの大直径インゴットの切断に特に好適である。構造化ワイヤは、より高速な切断速度も可能にし、したがってインゴットをウェハに完全に切出す時間も短縮する。これは特に経済的であり、したがって有利である。最後に、スラリーの搬送の向上は切断品質の向上に繋がり、ウェハはより滑らかな表面および特に平面形状を有する。

図１（Ａ）は、直径Ｄおよび中心軸３を有する丸い平坦ワイヤ１を示し、中心軸３に沿ってワイヤ長手方向が延びている。座標系はそれぞれの視方向を示し、ｚはワイヤ長手方向を示し、ｘおよびｙは２つのワイヤ横方向を示す。

図１（Ｂ）は、ワイヤ長手方向における引張力がないので振幅Ａ０および波長Ｌ０を有する構造化を有する、直径Ｄを有する平坦ワイヤ１（コアワイヤ）に基づく構造化ワイヤ２を示す。包絡線の直径Ｅ０はコアワイヤ直径Ｄおよび振幅Ａ０によって与えられ、Ｅ０＝Ａ０＋Ｄである。示される例では、構造化は、横方向ｙにおける平坦ワイヤ１の断面の変位からなる。包絡線の軸Ｅ０は構造化ワイヤ２の長手方向軸４を指す。一方でｙ／ｚ面（左）上から見て、他方でｘ／ｙ面（右）上から見られたい。

図１（Ｃ）は、構造化の減少した振幅ＡＦおよび増加した長さＬＦを有する、長手方向４における引張力Ｆの影響下の図１（Ｂ）の構造化ワイヤ２を示す。引張力Ｆの下の包絡線ＥＦはＥＦ＝ＡＦ＋Ｄによって与えられる。ｙ／ｚ面（左）およびｘ／ｙ面（右）上から見られたい。

図１（Ｄ）は、ｚ軸（構造化ワイヤ２の長手方向）の周りの構造化ワイヤの付加的なねじり（ひねり）の後の引張力なしの図１（Ｂ）の構造化ワイヤ２を示す。

図１（Ｅ）は、ｚ軸（構造化ワイヤ２の長手方向）の周りの構造化ワイヤ２の付加的なねじり（ひねり）の後の引張力Ｆの下の図１（Ｃ）の構造化ワイヤ２を示す。図１（Ｄ）（引張力なし）と比較すると、引張力Ｆの下の包絡線ＥＦの直径は、引張力なしの包絡線Ｅ０に対して小さい。

図２は、ワイヤウェブ中のそれぞれ測定されたワイヤセクションの位置に対するウェブ中の測定された引張力Ｆ（ニュートン、Ｎ）、ＧＰ（ミリメートル、ｍｍ）の測定曲線５を示し、ワイヤウェブの新しいワイヤ供給側は０ｍｍの位置にあり、古いワイヤ排出側は４００ｍｍの位置にある。図５で参照される顕著なウェブ位置ＧＰ１およびＧＰ２に印を付けている。

力曲線５は、ワイヤ摩耗のために単純に予想されるように、新しいワイヤ供給側から古いワイヤ排出側に向かって単調に減少するようには延びておらず、往復運動法に従って選択された切断プロセスの詳細、特にワイヤ前進移動および後退移動の長さによって与えられる最小２０を有する。

図３は、ワイヤウェブ中の測定位置ＧＰに対する構造化ワイヤの有効直径Ｅ（包絡線の直径、ミリメートル、ｍｍ）の測定曲線１７を示す。

累積的な切断体積に比例して（すなわちウェブ位置ＧＰに比例して）断面が減少する平坦ワイヤとは対照的に、構造化ワイヤの有効直径Ｅは多段階の摩耗を受けること、すなわち、最初は（回帰線１９）構造化のより急速な摩耗を受け、続いて（回帰線１８）より緩やかな摩耗を受けることが明らかに見られ得る。

異なるウェブ位置ＧＰからのワイヤセクション上の２つの交差した光学マイクロメータによるワイヤ断面の測定では、急速な摩耗１９はクリンプの露出先端の選択的な材料浸食によって支配されているのに対して、クリンプチップのこの「デキャッピング」の後、それに続く摩耗１８の間は、表面全体にわたってより均一に分布したコアワイヤの摩耗が支配していることがわかった。

図４は、構造化ワイヤが測定配置を受けた引張力Ｆ（ニュートン、Ｎ）に対する構造化ワイヤの有効直径Ｅの測定曲線８を示す。

張力／伸展曲線８は力の大部分にわたって実質的に直線状に延びることが見出される。張力／伸展曲線８の勾配は、構造化ワイヤの長手方向におけるばね定数と称される。

図５は、２つのウェブ位置ＧＰ１およびＧＰ２（図２参照）におけるワイヤガイドロール１４の詳細を、本発明に従う溝９および１０を用いて示す。

各溝は溝底部１６および溝側部１５からなる。溝底部１６は、ワイヤガイドロール１４の軸２１からの最小半径距離を有する溝の部分である。ワイヤは、長手方向における自身の引張応力およびワイヤガイドロール１４の周りの力による巻付きのために溝底部１６に当接するが、溝側部１５には接触しない。

溝９内のウェブ位置ＧＰ１では、ワイヤはその場所に存在する自身の摩耗の程度、およびその場所で優勢なワイヤ張力のために有効直径ＥＦ１を有し、溝１０内の位置ＧＰ２では、ワイヤは対応して有効直径ＥＦ２を有する。

本発明によると、溝底部１６の曲率半径は、それぞれの溝における構造化ワイヤ２の実際の有効直径にそれぞれ適合される。

ワイヤ有効直径ＥＦ１およびＥＦ２の外側が平面１３内にそれぞれ存在するように溝の深さ６および７をそれぞれさらに選択することが有利であることがわかっている。

この場合、深さは、ワイヤガイドロール１４の軸２１からの溝の最小半径距離を指す。
溝９および１０の側部１５および１６の開口角度１１および１２は等しくてもよいし、あるいは互いに異なっていてもよい。特に薄いウェハをインゴットから切出すつもりである場合は、近隣の溝は互いに特に小さい距離を有することが好ましい。

深い溝の場合は、ワイヤが溝の中を確実に導かれ続けて近隣の溝に誤って飛込まないようにするために、ワイヤガイドロール１４の溝が付けられていない横方向の円柱面２２の十分に幅広いセクションを隣接溝同士の間に残すつもりである場合は、溝間隔が減少するにつれて減少する開口角度が設計上の理由で必要であり得る。

構造化ワイヤ２の有効直径（その包絡線の直径）は、構造化ワイヤが長手方向に配置される際に受ける引張力Ｆに依存する。

基礎となる平坦ワイヤ１のコア直径１７５μｍを有する例示的なワイヤについては、有効直径はＦ＝０Ｎ（力なし）からＦ＝７０Ｎ（７５Ｎ～８０Ｎであるワイヤの引張強度に近い引張力）にかけて約２０５μｍから１７６μｍに減少した。

引張強度よりもはるかに小さい引張力については、有効直径の減少は引張力にほぼ比例して起こる。構造化ワイヤ２はその後、理想的なばねとほぼ同様に挙動する。

図４は、１７５μｍの例示的なワイヤについての引張力Ｆと有効直径Ｅとの測定関係を表わす。構造化ワイヤ２とは対照的に、平坦ワイヤ１は引張力の変化に応じて測定可能な直径変化を有さない。

有効直径は、複数の位置で、特定のワイヤ長手方向張力を有する構造化ワイヤ２の複数の回転角度の下で、（ワイヤと計器との間の最大距離を有する接点をそれぞれ含むようにするために）幅広測定プレートを有するメカトロ厚み計を用いて求めた。

構造化ワイヤ２の有効直径は、ワイヤの摩耗とともに変化する。
平坦ワイヤの材料損失は、切断体積に比例して摩耗によって起こる。

切断体積は、工具（ワイヤおよび研磨剤）が材料を除去するために切断しなければならない加工対象物材料（インゴット材料）の体積に関連する。

材料損失（ワイヤ）と切断体積（加工対象物、インゴット）の比率は、平坦ワイヤ１の場合は定数を形成する。

比例定数は、とりわけ、用いられる硬質材料の性質（硬度、粒径、粒径分布、粒形など）によって定まる。

平坦ワイヤの摩耗とは対照的に、構造化ワイヤ２の有効直径の減少は切断体積に比例して進行しないことが観察された。代わりに、交差した光学マイクロメータによって、新しい状態であり、かつ異なる程度に摩耗した構造化ワイヤ２に対して実行された直径測定（互いに対して垂直に位置している２つのワイヤ搬送方向における同時の直径測定）では、構造化ワイヤ２の基礎となる平坦ワイヤ１は（切断体積に比例して）ほぼ均一に減少するが、クリンプの振幅は切断体積に比例せずに減少することがわかった。

例示的なワイヤ切断法の場合、長手方向において３３Ｎの引張力の下で、新しいコアワイヤの１７５μｍの直径および新しい構造化ワイヤの１９１μｍの有効直径を有する全長５８ｋｍの構造化ワイヤを３２１個の溝を有するワイヤウェブに送り、単結晶シリコンの３００ｍｍの直径を有する長さ３６０ｍｍの丸筒状インゴットを３２２個のウェハに切断した。

研磨切断は往復移動方法によって実行し、各往復運動工程においてワイヤを新しいワイヤ側のワイヤウェブに３０Ｎで送り、新しいワイヤスプールから古いワイヤスプールに３２０ｍだけ移動させ、続いてワイヤを古いワイヤ側のワイヤウェブに３０Ｎで送り、古いワイヤスプールから新しいワイヤスプールに２１１ｍだけ移動させた。

構造化ワイヤの有効およびコア直径は、研磨ワイヤ切断プロセスを停止した後、ウェブ位置ＧＰの関数として光学マイクロメータで測定した。

この結果が図３によって示される。切断カーフ（切断体積）内で構造化ワイヤによって切断された加工対象物材料の体積は、ウェブ中のワイヤ位置ＧＰ（このウェブ／ワイヤ位置までの累積的な切断体積）に比例する。

新しいワイヤをウェブに送った際の３０Ｎから３３Ｎの引張力がもたらされ、長手方向引張力に対する有効直径の関係（図４）によって与えられるばね定数を用いたインゴット送り方向における研磨切断時に観察されたワイヤの曲げから、さらに３Ｎが計算された。

ワイヤの曲げは、インゴットに対するワイヤの移動および研磨スラリーの供給によって材料浸食が達成されるようにワイヤがインゴットに加える必要がある力によって生じる。ワイヤの曲げは、ワイヤ送り速度（材料除去率）にも依存し、例において選択された摩耗切断プロセスでは約６ｍｍであった。

また、インゴット送り方向においてワイヤに加えられた力はさらに、インゴットとインゴットをワイヤウェブ上に送るための装置との間に装着された圧電素子を用いた３軸力センサによって求めた。

ワイヤ長手方向の引張はワイヤウェブにわたって一定ではない。ワイヤウェブ中のワイヤの張力は、ワイヤガイドロール１４の軸方向における位置（ウェブ位置ＧＰ）の関数として変化することが観察された。この関係は非直線的であることがわかった。

特定の例示的なワイヤおよび例示的な研磨切断プロセスの測定の結果が図２によって示される。

ワイヤ張力は引張応力計測機器で求めた。測定のために用いたワイヤガイドロールはその機能面の直円柱形状を有し、当該機能面はポリウレタン製であり、ポリウレタンコーティングが設けられ、当該コーティングでは、溝の形状および深さが同一であり、溝同士の間隔が新しいワイヤ側から古いワイヤ側に向かってワイヤ有効直径が減少するにつれて減少した。ワイヤガイドロール１４の軸は互いに平行に配置された。

特に、ワイヤ張力のプロファイルは、ワイヤガイドロール１４の既知の詳細（形状、溝深さ）およびワイヤ摩耗（直径減少、ワイヤガイドロールの周りの巻付長さ）だけではなく、特に往復運動法の際のワイヤ移動の長さの選択にも依存することがわかった。

特に、ウェブ位置ＧＰに対するワイヤウェブ中のワイヤ引張力Ｆのプロファイルの測定曲線の極小２０が観察された（図２）。

ワイヤガイドロール１４内の溝の幅は、ワイヤウェブのすべての位置において構造化ワイヤ２の有効直径に対応している必要がある。

深さは等しいが幅は異なる溝を有する円筒状ワイヤガイドロール１４を用いた試験では、溝における構造化ワイヤの有効直径よりも幅が小さい当該溝は特に急速に摩耗し、平坦性が劣ったウェハ切断部をその場所に与え、より頻繁に断線に繋がることが明らかになった。

同様に、溝における構造化ワイヤ２の有効直径よりも幅が５０％よりも大きい当該溝はより緩やかに摩耗するが、それにもかかわらず当該溝も同様にその場所における平坦性が劣ったウェハ切断部に繋がることが観察された。この理由はおそらく、幅広の溝は、切断プロセス時に最大限に平坦な表面にわたってワイヤをインゴット内に確実に導かないからである。

溝の低摩耗と、要求が厳しい用途で必要とされる、それぞれ得られるウェハの表側および裏側の平面平行度との両方を可能にするのは、内部に延びる構造化ワイヤ２の有効直径と等しい、または当該有効直径よりも最大でも５０％大きい曲率半径を有する溝底部を有し、ワイヤの摩耗度がその場所に存在し、ワイヤ張力がその場所で優勢である溝のみである。

これが本発明に従う特徴を生み出しており、当該特徴によると、構造化ワイヤ２が当接する各溝の底部の曲率半径は、各溝について構造化ワイヤの包絡線の半径と等しいかまたは当該半径よりも最大で１．５倍大きく、構造化ワイヤ２は当該曲率半径をそれぞれの溝において有する。

例示的な実施形態の前述の説明は例示的なものであると理解すべきである。それによってなされる開示は、一方では当業者が本発明およびそれに関連付けられた利点を理解することを可能にし、他方では当業者の理解の範囲内で明らかな記載された構造および方法の変形および変更も含む。したがって、そのような変形および変更、ならびに同等物は請求項の保護範囲に含まれることが意図されている。

用いられる参照記号の一覧
１ 平坦ワイヤ
２ 構造化ワイヤ
３ 平坦ワイヤの長手方向軸
４ 構造化ワイヤの包絡線の長手方向軸
５ ウェブ位置に対する引張力の測定曲線
６ ウェブ位置ＧＰ１における溝の深さ
７ ウェブ位置ＧＰ２における溝の深さ
８ 引張力に対する包絡線の直径の測定曲線
９ ウェブ位置ＧＰ１における溝
１０ ウェブ位置Ｇ２における溝
１１ ウェブ位置ＧＰ１における溝の開口角度
１２ ウェブ位置ＧＰ２における溝の開口角度
１３ インゴットへのワイヤ表面の平面／最近接点
１４ ワイヤガイドロール
１５ 溝側部
１６ 溝底部
１７ ウェブ位置に対する包絡線の直径
１８ 古い（摩耗した）構造化ワイヤの回帰線
１９ 新しい構造化ワイヤの回帰線
２０ ウェブ位置に対する引張力の曲線プロファイルの最小
２１ ワイヤガイドロールの軸
２２ ワイヤガイドロールの横方向の円柱面
Ａ０ 引張力なしの構造の振幅
ＡＦ 引張力Ｆありの構造の振幅
Ｄ 平坦ワイヤの直径
Ｅ 包絡線の直径
Ｅ０ 引張力なしの包絡線の直径
ＥＦ 引張力Ｆありの包絡線の直径
ＥＦ１ 引張力Ｆ１ありの包絡線の直径
ＥＦ２ 引張力Ｆ２ありの包絡線の直径
Ｆ 力
ＧＰ ウェブ位置
ＧＰ１ ウェブ位置１
ＧＰ２ ウェブ位置２
Ｌ０ 引張力なしの構造の波長
ＬＦ 引張力Ｆありの構造の波長
ｘ 長手方向およびｙ軸に対して垂直な方向
ｙ 長手方向およびｘ軸に対して垂直な方向
ｚ 長手方向の方向

Claims (8)

1. インゴットから複数のウェハを同時に切出すための方法であって、当該切出しは、構造化ワイヤのワイヤウェブにスラリーを塗布しつつ、同時回転する２つのワイヤガイドロールがまたがる前記ワイヤウェブの中を前記インゴットが移動することによって行なわれ、前記ワイヤの構造化は、平坦なコアワイヤの長手方向に対して垂直な前記コアワイヤの複数の窪みおよび突起からなり、前記構造化ワイヤは前記２つのワイヤガイドロールの溝を通って導かれ、前記構造化ワイヤが当接する各溝の底部は曲率半径を有して湾曲しており、前記曲率半径は、各溝について、前記構造化ワイヤのそれぞれの溝における包絡線の半径と等しいかまたは前記半径よりも最大で１．５倍大きく、前記構造化ワイヤの包絡線は、前記構造化ワイヤの全体を完全に含む最小直径の直円柱として規定され、前記構造化ワイヤの前記包絡線の直径は、前記コアワイヤの直径の１．０２から１．２５倍に対応する、方法。
2. 前記窪みおよび突起は、前記長手方向に対して垂直なすべての平面内でその長手方向にわたって平均的に延び、前記コアワイヤを前記長手方向に対して垂直な平面内に構造化することと、前記構造化ワイヤを前記構造化ワイヤの長手方向軸の周りにねじることとによって形成され、当該ねじることは、このようにしてもたらされるひねられた前記構造化ワイヤがつる巻き形状を有するように行なわれる、請求項１に記載の方法。
3. 前記長手方向にわたって平均的な前記ワイヤの構造化は、前記長手方向に対して垂直なすべての平面内に延び、前記長手方向に対して垂直な第１の平面内の構造化による第１の振幅および第１の波長と、前記第１の平面に対して垂直な第２の平面内の構造化による第２の振幅および第２の波長とを有して、かつ前記構造化ワイヤをその長手方向軸の周りにねじることによって形成される、請求項１に記載の方法。
4. 前記構造化ワイヤは、互いに平行に延びる前記ワイヤのセクションの平面ウェブが前記２つのワイヤガイドロール同士の間に形成されるように、前記ワイヤガイドロールの周りの前記溝における前記構造化ワイヤの包絡線の底面に対して垂直に作用する張力の下で螺旋状に導かれる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ワイヤの移動は、数対の方向反転が連続的に進行することからなり、１対の方向反転は、第１の長さにわたる前記長手方向の第１の方向における前記ワイヤの第１の移動と、その後の第２の長さにわたる前記第１の方向と正反対の第２の方向における前記ワイヤの移動とをそれぞれ含み、前記第１の長さは前記第２の長さよりも大きいように選択される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記コアワイヤの直径は１３０μｍから１７５μｍである、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ワイヤガイドロールの軸からの各溝の最小距離は、各溝における前記ワイヤガイドロールの前記軸からの最大距離を有する前記包絡線のすべての点が前記ワイヤガイドロールの前記軸から同じ距離を有するように選択される、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. インゴットから複数のウェハを同時に切出すためのワイヤソーであって、複数の溝を備える２つのワイヤガイドロールを含み、構造化ワイヤは、互いに平行に延びるワイヤのセクションの平面ワイヤウェブが前記２つのワイヤガイドロール同士の間に形成されるように、前記２つのワイヤガイドロール周りの前記溝における前記構造化ワイヤの包絡線の底面に対して垂直に作用する張力の下で螺旋状に導かれ、前記ワイヤの構造化は、平坦なコアワイヤの長手方向に対して垂直な前記コアワイヤの複数の窪みおよび突起からなり、前記ワイヤソーはさらに、前記インゴットを前記ワイヤウェブの平面に向かって垂直にかつ前記ワイヤウェブの中を移動させるための送り装置を備え、前記溝は、それぞれの前記溝における前記構造化ワイヤの包絡線の半径の１～１．５倍によって与えられる曲率半径を有する湾曲した溝底部をそれぞれ有し、前記構造化ワイヤの包絡線の直径は、コアワイヤの直径の１．０２から１．２５倍に対応する、ワイヤソー。

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