WO2023286633A1 - 金属線及びソーワイヤ - Google Patents

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WO2023286633A1
WO2023286633A1 PCT/JP2022/026355 JP2022026355W WO2023286633A1 WO 2023286633 A1 WO2023286633 A1 WO 2023286633A1 JP 2022026355 W JP2022026355 W JP 2022026355W WO 2023286633 A1 WO2023286633 A1 WO 2023286633A1
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WO
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wire
metal wire
tungsten
metal
saw
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PCT/JP2022/026355
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English (en)
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友博 金沢
健史 辻
唯 仲井
哲也 中畔
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B27/00—Other grinding machines or devices
    • B24B27/06—Grinders for cutting-off
    • B24B27/0633—Grinders for cutting-off using a cutting wire
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B27/00—Other grinding machines or devices
    • B24B27/06—Grinders for cutting-off
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    • B24—GRINDING; POLISHING
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    • B24D11/00—Constructional features of flexible abrasive materials; Special features in the manufacture of such materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/04—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/04—Alloys based on tungsten or molybdenum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Definitions

  • the present invention relates to metal wires and saw wires.
  • Patent Document 1 discloses a saw wire including a core wire made of piano wire and a plurality of abrasive grains fixed to the core wire.
  • an object of the present invention is to provide a highly durable metal wire and saw wire.
  • a metal wire according to one aspect of the present invention is made of tungsten or a tungsten alloy, and the number of times until breaking is 20,000 or more when a fatigue test is performed with a maximum stress of 4400 MPa according to the JIS C6821 standard.
  • a saw wire according to one aspect of the present invention includes the metal wire according to the above aspect and abrasive grains electrodeposited on the surface of the metal wire.
  • a highly durable metal wire and saw wire can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a cutting device to which a saw wire according to an embodiment is attached.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a test apparatus used for the metal wire fatigue test according to the embodiment.
  • 3A is a side perspective view of the fixture of the test apparatus shown in FIG. 2;
  • FIG. 3B is a bottom perspective view of the jig of the test apparatus shown in FIG. 2;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing the results of the fatigue test.
  • 5A is a cross-sectional view of a metal wire according to Example 1.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a metal wire according to Example 2.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view of a metal wire according to Example 3.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view of a metal wire according to Example 4.
  • FIG. FIG. 6 is a flow chart showing a method for manufacturing a metal wire according to the embodiment.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily strictly illustrated. Therefore, for example, scales and the like do not necessarily match in each drawing. Moreover, in each figure, the same code
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a cutting device 100 to which a saw wire 3 according to this embodiment is attached.
  • the saw wire 3 is attached to the cutting device 100 and used for cutting the ingot 5 .
  • the saw wire 3 includes a metal wire 1 and a plurality of abrasive grains 2, as shown in an enlarged view within the dashed circular frame of FIG.
  • the metal wire 1 is the core wire of the saw wire 3.
  • the metal wire 1 is made of tungsten or tungsten alloy.
  • the content of tungsten contained in the metal wire 1 is, for example, 90 wt % or more, but is not limited to this.
  • the content of tungsten contained in the metal wire 1 may be 95 wt% or more, 99 wt% or more, 99.9 wt% or more, or 99.99 wt% or more.
  • the metal wire 1 may contain unavoidable impurities that cannot be avoided during the manufacturing process.
  • a tungsten alloy is, for example, an alloy of tungsten (W) and one or more metals other than tungsten.
  • a metal other than tungsten is, for example, rhenium (Re).
  • the content of rhenium contained in the metal wire 1 made of a rhenium-tungsten alloy (ReW) is, for example, 0.1 wt % or more and 10 wt % or less, but is not limited thereto.
  • the rhenium content may be 1 wt% or more, 3 wt% or more, or 5 wt% or more.
  • the tensile strength of the metal wire 1 can be increased.
  • the rhenium content is too high, it is difficult to thin the metal wire 1 while maintaining a high tensile strength. Specifically, disconnection is more likely to occur, making it difficult to draw a long wire.
  • the workability of the metal wire 1 can be improved.
  • by reducing the content of rare and expensive rhenium it becomes possible to mass-produce long inexpensive metal wires 1 .
  • the metal used for alloying with tungsten may be osmium (Os), ruthenium (Ru), or iridium (Ir).
  • the content of osmium, ruthenium or iridium is similar to that of rhenium, for example. In these cases, the same effect as in the case of rhenium-tungsten alloy can be obtained.
  • the metal wire 1 may be made of an alloy of tungsten and two or more metals other than tungsten.
  • the metal wire 1 has a substantially circular cross-sectional shape perpendicular to the line axis direction.
  • the line axis direction is the direction in which the metal wire 1 extends.
  • the metal wire 1 has a substantially constant wire diameter along the wire axis direction.
  • the wire diameter of the metal wire 1 is, for example, 100 ⁇ m or less, but is not limited to this.
  • the wire diameter of the metal wire 1 may be 80 ⁇ m or less, 60 ⁇ m or less, 50 ⁇ m or less, 40 ⁇ m or less, 30 ⁇ m or less, or 20 ⁇ m or less. or 10 ⁇ m or less.
  • the wire diameter of the metal wire 1 becomes smaller, the wire diameter of the saw wire 3 also becomes smaller. As the wire diameter of the saw wire 3 becomes smaller, the cutting margin of the object to be cut becomes smaller. Therefore, loss of cutting objects can be reduced, and the number of wafers that can be obtained can be increased.
  • the wire diameter of the metal wire 1 is, for example, 5 ⁇ m or more. As a result, the cross-sectional area of the metal wire 1 does not become too small, and the absolute strength of the metal wire 1 can be ensured within a range that can be used as a saw wire.
  • the tensile strength may be 5000 MPa or more, 5200 MPa or more, 5500 MPa or more, or 5700 MPa or more.
  • the tensile strength is, for example, 6000 MPa or less, but may exceed 6000 MPa.
  • Tensile strength can be measured, for example, based on the Japanese Industrial Standards tensile test (JIS H 4460 8).
  • the metal wire 1 according to the present embodiment has 20,000 times or more until it breaks when subjected to a fatigue test with a maximum stress of 4400 MPa according to the JIS C6821 standard. That is, the metal wire 1 has excellent durability. A specific fatigue test will be described later.
  • the abrasive grains 2 are hard particles, such as diamond or CBN (cubic boron nitride) particles.
  • a plurality of abrasive grains 2 are arranged dispersedly on the surface of the metal wire 1 .
  • the average grain size of the plurality of abrasive grains 2 is, for example, 10 ⁇ m or less.
  • a plurality of abrasive grains 2 are distributed and arranged over the entire surface of the metal wire 1 over the entire circumference around the axis.
  • a plurality of abrasive grains 2 are electrodeposited on the surface of the metal wire 1. Specifically, the plurality of abrasive grains 2 adhere to the surface of the metal wire 1 by being at least partially covered with a plating layer (not shown).
  • the plated layer is, for example, a metal layer made of nickel alone or an alloy layer containing nickel.
  • the plating layer may have a multilayer structure.
  • the cutting device 100 is a multi-wire saw device to which saw wires 3 are attached.
  • the cutting apparatus 100 cuts (slices) the ingot 5 into thin plates to manufacture wafers (substrates).
  • the ingot 5 is an example of an object to be cut by the cutting device 100, and is a semiconductor ingot such as silicon or silicon carbide.
  • the object to be cut is not limited to a semiconductor ingot, and may be a solid object (mass) made of various solid materials such as metal, resin, glass, or concrete.
  • the cutting device 100 includes a saw wire 3, two guide rollers 110, a support section 120, an unwinding section 130, and a winding section 140, as shown in FIG.
  • a single saw wire 3 is wound a plurality of times around the two guide rollers 110 .
  • the saw wire 3 is alternately and repeatedly wound around the two guide rollers 110 from the unwinding portion 130 to the winding portion 140 .
  • Each of the two guide rollers 110 is provided with a plurality of grooves in which the saw wire 3 is inserted at a predetermined pitch.
  • the pitch of the grooves is determined according to the thickness of the wafer to be cut.
  • the width of the groove is substantially the same as the wire diameter of the saw wire 3 .
  • the saw wires 3 are arranged parallel to each other and at regular intervals. As the two guide rollers 110 rotate, the saw wire 3 rotates in conjunction with the rotation.
  • the support part 120 supports the ingot 5, which is the object to be cut.
  • the support part 120 can move toward the saw wire 3 (downward in the drawing) while supporting the ingot 5 .
  • the unwinding section 130 has a winding frame around which the saw wire 3 is wound, and the saw wire 3 is unwound from the winding frame as the guide roller 110 rotates.
  • the winding unit 140 has a winding frame for winding the saw wire 3, and winds the saw wire 3 around the winding frame as the guide roller 110 rotates.
  • the cutting device 100 rotates each of the two guide rollers 110 to which the saw wire 3 is attached.
  • the saw wire 3 rotates in conjunction with the rotation of the guide roller 110 while being stretched straight with a predetermined tension.
  • the predetermined tension is, for example, 3600 MPa.
  • the ingot 5 is cut (sliced) by the saw wire 3 by the support portion 120 pushing the ingot 5 toward the saw wire 3 .
  • the saw wire 3 is momentarily subjected to a maximum stress of about 4400 MPa.
  • the guide roller 110 can rotate not only in the direction from the unwinding section 130 to the winding section 140 (forward rotation), but also in the opposite direction (reverse rotation).
  • the guide roller 110 repeats forward rotation and reverse rotation when cutting the ingot 5 , and the saw wire 3 gradually moves from the unwinding portion 130 to the winding portion 140 .
  • the saw wire 3 Due to this rotation and movement, the saw wire 3 is repeatedly bent and stretched several thousand times in one cut. For this reason, when a piano wire with low durability is used as a saw wire, the piano wire is fatigue-broken in one cut. Even if the wire does not break due to fatigue, it cannot withstand the second cut, so a new piano wire must be prepared.
  • the saw wire 3 according to the present embodiment has 20,000 or more times until breakage when subjected to a fatigue test with a maximum stress of 4400 MPa according to the JIS C6821 standard. That is, the saw wire 3 is resistant to fatigue breakage even when the ingot 5 is cut, and can be reused for the second and subsequent cuts.
  • the worn abrasive grains 2 and the plating layer may be peeled off. That is, after the saw wire 3 is returned to the state of the metal wire 1 (strand wire), a plurality of abrasive grains 2 are adhered to the surface of the metal wire 1 by electrodeposition again. As a result, the saw wire 3 to which the abrasive grains 2 are attached is manufactured again and can be reused for cutting the ingot 5 .
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a test apparatus 10 used for the fatigue test of the metal wire 1 according to this embodiment.
  • 3A and 3B are side and bottom perspective views of the jig 20 of the test apparatus 10 shown in FIG. 2, respectively.
  • the test apparatus 10 includes jigs 20 and 30, a cover 40, and a hanger 50.
  • Each of the jigs 20 and 30 is a disc-shaped member with a predetermined thickness.
  • the jig 20 is provided with grooves 21 along the circumferential side surface.
  • the jig 30 is provided with grooves 31 along the circumferential side surface.
  • the jig 30 is, for example, fixed to the floor (ground).
  • a hanging tool 50 is fixed to the jig 20 .
  • the hanger 50 can apply a vertically upward load to the jig 20 .
  • a metal wire 1 having a predetermined length is arranged so as to span one round between the jig 20 and the jig 30 .
  • the metal wire 1 is arranged in each of the grooves 21 of the jig 20 and the grooves 31 of the jig 30 .
  • the groove 21 is provided with a through hole 22 into which the metal wire 1 can be inserted, as shown in FIG. 3B.
  • both ends of the metal wire 1 are inserted into the through holes 22 .
  • the cover 40 is fixed to the jig 20 so as to cover the groove 21, and the metal wire 1 is fixed.
  • each of the groove 21 of the jig 20 and the groove 31 of the jig 30 is 30 mm.
  • the space between the portions of the metal wire 1 floating in the air is also 30 mm.
  • the length of the portion of the metal wire 1 floating in the air, that is, the portion between the jigs 20 and 30 was set to 80 mm.
  • the maximum load is a value at which the stress applied to the metal wire 1 (that is, the maximum stress) is 4400 MPa when the maximum load is applied. This value corresponds to the maximum stress that can be applied to the saw wire 3 (metal wire 1 ) when the saw wire 3 (metal wire 1 ) attached to the cutting device 100 cuts the ingot 5 . It should be noted that it is not strictly necessary to apply a maximum stress of 4400 MPa, and a deviation of several percent may occur.
  • the metal wires used in the fatigue test were a tungsten alloy wire (ReW wire) containing 1 wt% of Re, a pure tungsten wire (pure W wire), and a piano wire as a comparative example.
  • the pure tungsten wire is a tungsten wire having a sufficiently high tungsten content of 99.95 wt % or more.
  • Table 1 shows the physical properties, test conditions, and test results of the tungsten alloy wire and piano wire used.
  • Each wire diameter of the ReW wire, the pure W wire and the piano wire is about 37 ⁇ m.
  • the cross-sectional areas of the ReW wire, the pure W wire and the piano wire are approximately 0.0022 mm 2 .
  • Example represents the type of metal wire that was subjected to the fatigue test.
  • 1% ReW represents a tungsten alloy wire (ReW wire) containing 1 wt% of Re.
  • Pure W represents a pure tungsten wire (pure W wire).
  • Porosity is the percentage of voids contained in the metal wire. Details of the porosity will be described later.
  • Strength of wire represents the strength of the metal wire.
  • Tersile strength represents the tensile strength of the metal wire.
  • Load represents the maximum load that the lifting tool 50 shown in FIG. 2 applies to the jig 20 vertically upward.
  • Load (one wire) represents the load applied to one metal wire. As shown in FIG. 2, the metal wire is bridged between the two jigs 20 and 30 so as to make one reciprocation, and for the sake of convenience, "two" metal wires. Since the load applied to the jig 20 is distributed over the “two” metal wires, the load per wire is half the load applied to the jig 20 .
  • “Maximum stress” represents the stress applied to the metal wire when the maximum load is applied.
  • Stress Amplitude represents the amplitude of change in stress in the fatigue test. As described above, in the fatigue test, the load changes from 10% of the maximum load to the maximum load, so the stress applied to the metal wire also changes from 10% of the maximum stress (initial stress) to the maximum stress. The “stress amplitude” corresponds to half the difference between the maximum stress and the initial stress.
  • Numberer of times indicates the number of repetitions until the metal wire breaks as a result of the fatigue test.
  • Fig. 4 is a diagram showing the results of the fatigue test.
  • the vertical axis represents the maximum stress applied to the metal wire in the fatigue test.
  • the horizontal axis represents the number of times the test was repeated until the metal wire broke. In other words, the closer to the right side of the graph, the more difficult the metal wire is to break and the more durable the metal wire is.
  • the maximum number of times the fatigue test was performed is 1,000,000 times, but the maximum number of times the fatigue test was actually performed is 100,000 times.
  • the smaller the maximum stress the greater the number of repetitions of the test.
  • the maximum stress was 4400 MPa
  • the piano wire was repeated 228 times.
  • the number of repetitions was 20,000 times or more, specifically 21,288 times or more. That is, it can be seen that the tungsten alloy wire or the pure tungsten wire has about 100 times more durability than the piano wire.
  • the piano wire broke at 5512 times, 15846 times, or 21746 times even if the maximum stress was lowered to 900 MPa. It can be inferred that if the maximum stress is further lowered, there is room for the number of repetitions to increase, but it is not suitable for use as a saw wire compared to tungsten alloy wires. That is, even if the maximum stress on the saw wire is small, such as when cutting a soft ingot, the number of repetitions of the test on the piano wire is not sufficient. For this reason, piano wire is not only difficult to reuse, but also has the possibility of breaking when the ingot is cut, making it unsuitable for saw wire compared to tungsten alloy wire.
  • metal wire 1 according to the present embodiment has higher durability than piano wire, and can be reused after being used as saw wire 3 .
  • the inventors of the present application have found that there is a significant relationship between the porosity contained in the metal wire 1 and the durability (the number of repetitions). Below, the relationship between the porosity of the metal wire 1 and the test results of the fatigue test will be described.
  • the porosity indicates the ratio of voids contained in the metal wire 1. Specifically, it represents the ratio of the area occupied by the voids per predetermined unit area in the cross section of the metal wire 1 .
  • the porosity can be calculated by observing a cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope) image of the metal wire 1 .
  • 5A to 5D are cross-sectional views of metal wires according to Examples 1 to 4 in Table 1, respectively. As shown in each figure, black portions are voids. Voids are mainly present at grain boundaries. The porosities of the metal wires according to Examples 1 to 4 decrease in this order.
  • Examples 1 to 4 are samples subjected to a fatigue test with a maximum stress of 4400 MPa. As shown in Table 1 and FIG. 4, the smaller the porosity, the larger the number of repetitions of the test. That is, the smaller the porosity, the higher the durability of the metal wire 1 .
  • the durability is about 100 times or more that of the piano wire. If the porosity of the metal wire 1 is 0.18% or less, the durability is approximately three times or more that of 0.25%. Moreover, if the porosity of the metal wire 1 is 0.11% or less, the durability is approximately four times or more that in the case of 0.25%.
  • the metal wire 1 may have a porosity of less than 0.07%.
  • FIG. 6 is a flow chart showing a method for manufacturing a metal wire according to this embodiment.
  • a tungsten ingot is prepared (S10). Specifically, an aggregate of tungsten powder is prepared, and the prepared aggregate is pressed and sintered (sintered) to produce a tungsten ingot.
  • tungsten powder and metal powder for example, rhenium powder
  • the average particle size of tungsten powder and rhenium powder is, for example, in the range of 3 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less, but is not limited thereto.
  • the manufactured tungsten ingot is swaged (S12). Specifically, a tungsten ingot is formed into a wire-like tungsten wire by forging and compressing the tungsten ingot from its periphery and extending it. Rolling may be used instead of swaging. For example, by repeatedly swaging, a tungsten ingot with a diameter of about 15 mm is formed into a tungsten wire with a wire diameter of about 3 mm. Annealing treatment is performed in the middle of the swaging process to ensure subsequent workability. By adjusting the annealing conditions at this time, the metal wires 1 having different porosities can be manufactured. Specific annealing conditions will be described later.
  • the tungsten wire is heated at 900°C before heating wire drawing (S14). Specifically, the tungsten wire is directly heated with a burner or the like. By heating the tungsten wire, an oxide layer is formed on the surface of the tungsten wire so that the wire will not break during the subsequent heating wire drawing process.
  • heating wire drawing is performed (S16). Specifically, one wire drawing die is used to draw a tungsten wire, that is, wire drawing (thinning) of a tungsten wire is performed while heating.
  • the heating temperature is 1000° C., for example. Incidentally, the higher the heating temperature, the higher the workability of the tungsten wire, so wire drawing can be easily performed.
  • the cross-sectional reduction rate of the tungsten wire due to one wire drawing using one wire drawing die is, for example, 10% or more and 40% or less.
  • a lubricant obtained by dispersing graphite in water may be used.
  • the surface of the tungsten wire may be smoothed by performing electrolytic polishing. Electropolishing is performed by generating a potential difference between the tungsten wire and the counter electrode while the tungsten wire and the counter electrode are immersed in an electrolytic solution such as an aqueous sodium hydroxide solution.
  • the heating wire drawing (S16) is repeated until a tungsten wire with a desired wire diameter is obtained (No in S18).
  • the desired wire diameter here is the wire diameter at the stage immediately before the final drawing step (S20), and is, for example, 250 ⁇ m or less.
  • heating wire drawing In the repetition of heating wire drawing, a wire drawing die with a hole diameter smaller than the wire drawing die used in the previous wire drawing is used.
  • the tungsten wire is heated at a heating temperature lower than the heating temperature during the previous wire drawing.
  • the heating temperature in the drawing step immediately before the final drawing step is lower than the heating temperature up to that point, eg, 400° C., which contributes to refinement of crystal grains.
  • the heating temperature in the heating wire drawing is adjusted so that the amount of oxide adhering to the surface of the tungsten wire is, for example, in the range of 0.8 wt % or more and 1.6 wt % or less of the tungsten wire. Electropolishing may be omitted in repeated hot drawing.
  • normal temperature wire drawing is performed (S20).
  • the crystal grains are further refined.
  • room temperature drawing also has the effect of aligning the crystal orientation in the processing axis direction (specifically, the direction parallel to the line axis).
  • Normal temperature is, for example, a temperature in the range of 0°C or higher and 50°C or lower, and is 30°C as an example.
  • the tungsten wire is drawn using a plurality of wire drawing dies having different hole diameters.
  • a liquid lubricant such as water-soluble is used for normal temperature wire drawing. Since no heating is performed in normal temperature drawing, evaporation of the liquid is suppressed. Therefore, it can exhibit a sufficient function as a lubricant.
  • the tungsten wire is not heated and processed while cooling with a liquid lubricant to achieve dynamic recovery and dynamic It is possible to suppress recrystallization, contribute to refinement of crystal grains without disconnection, and obtain high tensile strength.
  • Electropolishing is performed on the tungsten wire having a desired wire diameter formed by drawing at room temperature (S22). Electropolishing is performed by generating a potential difference between the tungsten wire and the counter electrode while the tungsten wire and the counter electrode are immersed in an electrolytic solution such as an aqueous sodium hydroxide solution.
  • the metal wire 1 according to the present embodiment is manufactured.
  • the length of the metal wire 1 immediately after manufacturing is, for example, 50 km or longer, and can be used industrially.
  • the metal wire 1 can also be cut into an appropriate length according to the mode of use and used in the shape of a needle or rod.
  • each step shown in the manufacturing method of the metal wire 1 is performed in-line, for example.
  • the plurality of wire drawing dies used in step S16 are arranged in order of decreasing hole diameter on the production line.
  • a heating device such as a burner is arranged between the wire drawing dies.
  • an electropolishing device may be arranged between the wire drawing dies.
  • a plurality of wire drawing dies used in step S20 are arranged on the downstream side (post-process side) of the wire drawing dies used in step S16 in order of decreasing hole diameter, and downstream of the wire drawing die with the smallest hole diameter.
  • An electropolishing device is arranged on the side.
  • each process may be performed individually.
  • the swaging process is carried out stepwise multiple times depending on the wire diameter of the target tungsten wire. At this time, annealing is performed to improve tensile strength and improve workability in the subsequent drawing process.
  • Example 2 annealing is performed at a temperature in the range of 1800° C. to 1900° C. in the range of 11 mm to 12 mm in wire diameter. Tungsten recrystallizes when annealed at temperatures above 2000°C.
  • the tensile strength of the metal wire 1, which is the final product, can be increased by annealing under conditions that do not recrystallize.
  • the tensile strength of the ReW wire according to Example 1 can be higher than the tensile strength of the pure tungsten wire according to Example 2 and the ReW wires according to Examples 3 and 4. is made of.
  • Example 1 annealing was performed at a temperature of 1800° C. or higher and 1900° C. or lower in a wire diameter range of 5 mm or more and 8 mm or less. By performing annealing in a temperature range in which recrystallization does not occur, it is possible to improve the workability in the subsequent steps without significantly lowering the strength.
  • annealing was performed at a temperature of 2000° C. or more and 2100° C. or less in a wire diameter range of 11 mm or more and 12 mm or less. Since the temperature is above 2000° C., recrystallization of tungsten occurs and existing voids migrate to grain boundaries. At this time, the grain size due to recrystallization is suppressed to about 100 ⁇ m in the pure tungsten wire according to Example 2 by setting the temperature to 2100° C. or less and not too high. As a result, many grain boundaries can be formed, and voids can be dispersed within the tungsten wire. Further, in the ReW wires according to Examples 3 and 4, the grain size due to recrystallization is suppressed to about 50 ⁇ m.
  • Examples 3 and 4 since the voids are well dispersed, the porosity can be made lower than in Example 2. The difference in porosity between Examples 3 and 4 is due to manufacturing variations or porosity measurement variations.
  • annealing was performed at a temperature of 1600° C. or more and 1700° C. or less in the range of wire diameters of 5 mm or more and 8 mm or less.
  • the temperature in the first annealing is higher than in Example 1.
  • the temperature of the second annealing is set lower than in the case of the first embodiment.
  • the tensile strength of the metal wires 1 according to Examples 2 to 4 is ensured to be 4800 MPa or more.
  • the metal wire 1 according to the present embodiment is made of tungsten or a tungsten alloy, and the number of times until breaking is 20,000 when a fatigue test is performed with a maximum stress of 4400 MPa according to the JIS C6821 standard. That's it.
  • the metal wire 1 with high durability can be realized.
  • the metal wire 1 is used as the saw wire 3, it can be reused.
  • the number of times until the disconnection is 60,000 or more.
  • the durability of the metal wire 1 is higher, so it is more effective for reuse.
  • the porosity of tungsten in the metal wire 1 is 0.25% or less.
  • the durability of the metal wire 1 can be enhanced.
  • the tensile strength of the metal wire 1 is 4.8 GPa or more.
  • the metal wire 1 (saw wire 3) can be strongly stretched on the guide roller, so that the swing width of the metal wire 1 can be reduced.
  • the swing width By reducing the swing width, the cutting margin of the object to be cut is reduced. As a result, the loss of cutting objects can be reduced.
  • saw wire 3 includes metal wire 1 and abrasive grains 2 electrodeposited on the surface of metal wire 1 .
  • the saw wire 3 with high durability can be realized.
  • the saw wire 3 used for cutting the ingot 5 can be remanufactured by removing the abrasive grains 2 and the plating layer and then electrodepositing the abrasive grains 2 .
  • the saw wire 3 may not have electrodeposited abrasive grains 2 .
  • the saw wire 3 may have only the metal wire 1 and be used in a free-abrasive cutting device.
  • the content of tungsten contained in the metal wire 1 may be less than 90 wt%.
  • the content of tungsten contained in the metal wire 1 is greater than 50 wt%.
  • the content of tungsten contained in metal wire 1 may be 70 wt % or more, 75 wt % or more, 80 wt % or more, or 85 wt % or more.
  • the metal wire 1 may be doped with a trace amount of potassium or the like. Doped potassium exists at the grain boundaries of tungsten.
  • the content of potassium (K) is, for example, 0.010 wt% or less.
  • a potassium-doped tungsten wire can also achieve a metal wire having a tensile strength higher than that of a general piano wire, as in the case of a tungsten alloy wire. A similar effect can be obtained not only with oxides of potassium but also with oxides of other substances such as cerium or lanthanum.
  • the metal wire 1 may be used for applications other than the saw wire 3.
  • the metal wire 1 may be used for other applications such as a metal mesh or stranded wire or rope.

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Abstract

金属線は、タングステン又はタングステン合金からなり、ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格に準じて最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行った場合における断線に至るまでの回数が２万回以上である。

Description

金属線及びソーワイヤ
　本発明は、金属線及びソーワイヤに関する。
　特許文献１には、ピアノ線からなる芯線と、芯線に固着された複数の砥粒と、を備えるソーワイヤが開示されている。
特開２０１８－６５２０５号公報
　従来のソーワイヤは、耐久性が不十分である。
　そこで、本発明は、耐久性が高い金属線及びソーワイヤを提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る金属線は、タングステン又はタングステン合金からなり、ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格に準じて最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行った場合における断線に至るまでの回数が２万回以上である。
　本発明の一態様に係るソーワイヤは、上記一態様に係る金属線と、前記金属線の表面に電着された砥粒と、を備える。
　本発明によれば、耐久性が高い金属線及びソーワイヤを提供することができる。
図１は、実施の形態に係るソーワイヤが取り付けられる切断装置の模式図である。 図２は、実施の形態に係る金属線の疲労試験に使用した試験装置の模式図である。 図３Ａは、図２に示す試験装置の治具の、側方から見た斜視図である。 図３Ｂは、図２に示す試験装置の治具の、下方から見た斜視図である。 図４は、疲労試験の結果を示す図である。 図５Ａは、実施例１に係る金属線の断面図である。 図５Ｂは、実施例２に係る金属線の断面図である。 図５Ｃは、実施例３に係る金属線の断面図である。 図５Ｄは、実施例４に係る金属線の断面図である。 図６は、実施の形態に係る金属線の製造方法を示すフローチャートである。
　以下では、本発明の実施の形態に係る金属線及びソーワイヤについて、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、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、直交などの要素間の関係性を示す用語、及び、円形又は円柱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）
　［金属線及びソーワイヤの構成］
　まず、本実施の形態に係る金属線及びソーワイヤの構成について説明する。
　図１は、本実施の形態に係るソーワイヤ３が取り付けられる切断装置１００の模式図である。ソーワイヤ３は、切断装置１００に取り付けられて、インゴット５の切断に利用される。図１の破線の円形枠内に拡大して示すように、ソーワイヤ３は、金属線１と、複数の砥粒２と、を備える。
　金属線１は、ソーワイヤ３の芯線である。金属線１は、タングステン又はタングステン合金からなる。金属線１に含まれるタングステンの含有率は、例えば９０ｗｔ％以上であるが、これに限定されない。なお、金属線１に含まれるタングステンの含有率は、９５ｗｔ％以上であってもよく、９９ｗｔ％以上であってもよく、９９．９ｗｔ％以上であってもよく、９９．９９ｗｔ％以上であってもよい。金属線１には、製造過程において混入が避けられない不可避的不純物が含まれていてもよい。
　タングステン合金は、例えば、タングステン（Ｗ）と、タングステン以外の１種類以上の金属との合金である。タングステン以外の金属は、例えばレニウム（Ｒｅ）である。レニウムタングステン合金（ＲｅＷ）からなる金属線１に含まれるレニウムの含有率は、例えば０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であるが、これに限定されない。例えば、レニウムの含有率は、１ｗｔ％以上であってもよく、３ｗｔ％以上であってもよく、５ｗｔ％以上であってもよい。
　レニウムの含有率が高い場合、金属線１の引張強度を高めることができる。一方で、レニウムの含有率が高すぎる場合には、金属線１の引張強度を高く維持したまま、細線化を行うことが難しい。具体的には、断線が発生しやすくなり、長尺での線引きが難しくなる。レニウムの含有率を低くし、タングステンの含有率を９０ｗｔ％以上にすることにより、金属線１の加工性を高めることができる。また、希少で高価なレニウムの含有率を低くすることで、安価な金属線１を長尺で大量生産が可能になる。
　なお、タングステンとの合金に用いられる金属は、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）又はイリジウム（Ｉｒ）であってもよい。オスミウム、ルテニウム又はイリジウムの含有率は、例えばレニウムの含有率と同様である。これらの場合もレニウムタングステン合金の場合と同様の効果が得られる。金属線１は、タングステンと、タングステン以外の２種類以上の金属との合金からなってもよい。
　金属線１は、線軸方向に直交する断面形状が実質的に円形である。なお、線軸方向とは、金属線１が延びる方向である。金属線１は、線軸方向に沿って線径が実質的に一定である。金属線１の線径は、例えば１００μｍ以下であるが、これに限定されない。金属線１の線径は、８０μｍ以下であってもよく、６０μｍ以下であってもよく、５０μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよく、３０μｍ以下であってもよく、２０μｍ以下であってもよく、１０μｍ以下であってもよい。
　金属線１の線径が小さくなる程、ソーワイヤ３の線径も小さくなる。ソーワイヤ３の線径が小さくなることで、切断対象物の切り代が小さくなる。このため、切断対象物のロスを少なくすることができ、ウェハの取り数を増やすことができる。
　なお、金属線１の線径は、例えば５μｍ以上である。これにより、金属線１の断面積が小さくなりすぎず、ソーワイヤとして利用可能な範囲で金属線１の絶対強度を確保することができる。
　金属線１の引張強度は、４８００ＭＰａ（＝４．８ＧＰａ）以上である。引張強度は、５０００ＭＰａ以上であってもよく、５２００ＭＰａ以上であってもよく、５５００ＭＰａ以上であってもよく、５７００ＭＰａ以上であってもよい。引張強度は、例えば６０００ＭＰａ以下であるが、６０００ＭＰａを超えていてもよい。引張強度は、例えば、日本工業規格の引張試験（ＪＩＳ　Ｈ　４４６０　８）に基づいて測定可能である。
　金属線１の引張強度が高い程、金属線１（ソーワイヤ３）をガイドローラに強く張ることができるので、金属線１の揺れ幅を小さくすることができる。揺れ幅が小さくなることで、切断対象物の切り代が小さくなる。これにより、切断対象物のロスを少なくすることができる。
　本実施の形態に係る金属線１は、ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格に準じて最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行った場合における断線に至るまでの回数が２万回以上である。すなわち、金属線１は、耐久性に優れている。具体的な疲労試験については、後で説明する。
　砥粒２は、硬質の粒子であり、例えば、ダイヤモンド又はＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などの粒子である。複数の砥粒２が金属線１の表面に分散されて配置されている。複数の砥粒２の平均粒径は、例えば１０μｍ以下である。複数の砥粒２は、金属線１の軸回りの全周に亘って表面全体に分散して配置されている。
　複数の砥粒２は、金属線１の表面に電着されている。具体的には、複数の砥粒２は、少なくとも一部がめっき層（図示せず）に被覆されることにより、金属線１の表面に付着している。めっき層は、例えば、ニッケル単体からなる金属層、又は、ニッケルを含む合金層である。めっき層は、多層構造を有してもよい。
　［切断装置の構成及び動作］
　次に、切断装置１００の構成及び動作について説明する。
　図１に示されるように、切断装置１００は、ソーワイヤ３が取り付けられるマルチワイヤーソー装置である。切断装置１００は、インゴット５を薄板状に切断（スライス）することで、ウェハ（基板）を製造する。インゴット５は、切断装置１００による切断対象物の一例であり、例えばシリコン又はシリコンカーバイドなどの半導体インゴットである。切断対象物は、半導体インゴットに限定されず、金属、樹脂、ガラス又はコンクリートなどの各種固体材料からなる固形物（塊）であってもよい。
　切断装置１００は、図１に示されるように、ソーワイヤ３と、２つのガイドローラ１１０と、支持部１２０と、巻出し部１３０と、巻取り部１４０と、を備える。
　２つのガイドローラ１１０には、１本のソーワイヤ３が複数回、巻きつけられている。ソーワイヤ３は、巻出し部１３０から巻取り部１４０まで、２つのガイドローラ１１０を交互に繰り返し巻回されている。２つのガイドローラ１１０にはそれぞれ、ソーワイヤ３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３の線径と略同じである。ソーワイヤ３は、一周毎に互いに平行で、かつ、等間隔で配置されている。２つのガイドローラ１１０が回転することで、その回転に連動してソーワイヤ３が回転する。
　支持部１２０は、切断対象物であるインゴット５を支持する。支持部１２０は、インゴット５を支持した状態で、ソーワイヤ３に向けて（図中の下方向に）移動可能である。
　巻出し部１３０は、ソーワイヤ３が巻回された巻枠を有し、巻枠からガイドローラ１１０の回転に合わせてソーワイヤ３が巻出される。
　巻取り部１４０は、ソーワイヤ３を巻き取るための巻枠を有し、ガイドローラ１１０の回転に合わせてソーワイヤ３を巻枠に巻き取る。
　次に、切断装置１００によるインゴット５の切断動作について説明する。
　インゴット５を切断する場合に、切断装置１００は、ソーワイヤ３が取り付けられた２つのガイドローラ１１０の各々を回転させる。ソーワイヤ３は、所定の張力でまっすぐに張られた状態で、ガイドローラ１１０の回転と連動して回転する。所定の張力は、例えば３６００ＭＰａである。
　支持部１２０がインゴット５をソーワイヤ３に向けて押し出すことにより、インゴット５は、ソーワイヤ３によって切断（スライス）される。切断時には、ソーワイヤ３には瞬間的には最大で約４４００ＭＰａの応力がかかる。
　なお、ガイドローラ１１０は、巻出し部１３０から巻取り部１４０に向かう方向への回転（正回転）だけでなく、その反対方向への回転（逆回転）も可能である。ガイドローラ１１０は、インゴット５の切断時に正回転と逆回転とを繰り返しながら、ソーワイヤ３が巻出し部１３０から巻取り部１４０まで徐々に移動する。
　この回転及び移動によって、ソーワイヤ３は、１回の切断で数千回の曲げ伸ばしが繰り返される。このため、耐久性の低いピアノ線がソーワイヤとして用いられた場合には、１回の切断でピアノ線が疲労破断する。疲労破断しなくても、２回目の切断には耐えられないため、新しいピアノ線を準備する必要がある。
　これに対して、本実施の形態に係るソーワイヤ３は、ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格に準じて最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行った場合における断線に至るまでの回数が２万回以上である。つまり、ソーワイヤ３は、インゴット５の切断が行われても疲労破断しにくく、２回目以降の切断に再利用が可能である。
　なお、ソーワイヤ３を再利用する場合、摩耗した砥粒２及びめっき層を剥離してもよい。すなわち、ソーワイヤ３から金属線１（素線）の状態に戻した後、再び電着によって金属線１の表面に複数の砥粒２を付着させる。これにより、砥粒２が付着されたソーワイヤ３が再び製造され、インゴット５の切断に再利用することができる。
　［疲労試験］
　続いて、本実施の形態に係る金属線１の耐久性を確認するために、本願発明者らが行った疲労試験について説明する。
　疲労試験は、ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格（光ファイバ機械特性試験方法）に準じて行われた試験である。図２は、本実施の形態に係る金属線１の疲労試験に使用した試験装置１０の模式図である。図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、図２に示す試験装置１０の治具２０の、側方及び下方から見た斜視図である。
　図２に示すように、試験装置１０は、治具２０及び３０と、カバー４０と、吊具５０と、を備える。
　治具２０及び３０はそれぞれ、所定の厚みの円盤状の部材である。治具２０には、円周側面に沿って溝２１が設けられている。治具３０には、円周側面に沿って溝３１が設けられている。治具３０は、例えば、床（地面）に固定されている。治具２０には、吊具５０が固定されている。吊具５０は、治具２０に対して鉛直上方への荷重をかけることができる。
　疲労試験では、所定の長さの金属線１を治具２０と治具３０との間に１周分、架け渡すように配置している。具体的には、図２に示すように、治具２０の溝２１及び治具３０の溝３１の各々に金属線１が配置される。溝２１には、図３Ｂに示されるように、金属線１を挿入することができる貫通孔２２が設けられている。図２に示されるように、貫通孔２２には、金属線１の両端が挿入される。この状態で、図３Ａに示されるように、カバー４０が溝２１を覆うように治具２０に固定され、金属線１を固定する。
　治具２０の溝２１及び治具３０の溝３１の各々の径は、３０ｍｍである。これにより、金属線１の宙に浮いた部分の間隔も３０ｍｍになる。また、金属線１の宙に浮いた部分、すなわち、治具２０と治具３０との間の部分の長さは、８０ｍｍとした。
　疲労試験では、図２に示されるように、金属線１を固定した状態で、治具２０に対して鉛直上方への荷重を繰り返し与え、金属線１が破断、すなわち、断線に至るまでの試験回数を計数した。治具２０に対して荷重がかけられることにより、金属線１には、応力が与えられる。所定の初期値の荷重から最大荷重までかけることを１回の試験として計数している。初期値は、最大荷重の１０％とした。また、試験周波数、すなわち、１秒あたりの試験回数は、１０Ｈｚ（＝１０回／１秒）とした。
　最大荷重は、最大荷重がかけられた場合に金属線１に与えられる応力（すなわち、最大応力）が４４００ＭＰａになる値である。この値は、切断装置１００に取り付けられたソーワイヤ３（金属線１）がインゴット５を切断する場合に、ソーワイヤ３（金属線１）にかかりうる応力の最大値に対応している。なお、厳密に４４００ＭＰａの最大応力を与える必要はなく、数％のずれが生じてもよい。
　疲労試験で使用した金属線は、Ｒｅを１ｗｔ％の含有率で含むタングステン合金線（ＲｅＷ線）と、純タングステン線（純Ｗ線）と、比較例としてピアノ線と、である。なお、純タングステン線は、タングステンの含有率が９９．９５ｗｔ％以上と十分に高いタングステン線である。
　以下の表１に、使用したタングステン合金線及びピアノ線の物性値、試験条件及び試験結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ＲｅＷ線、純Ｗ線及びピアノ線の各線径は、約３７μｍである。また、ＲｅＷ線、純Ｗ線及びピアノ線の各断面積は、約０．００２２ｍｍ２である。
　表１において、「サンプル」は、疲労試験の対象となった金属線の種類を表している。「１％ＲｅＷ」は、Ｒｅを１ｗｔ％の含有率で含むタングステン合金線（ＲｅＷ線）を表している。「純Ｗ」は、純タングステン線（純Ｗ線）を表している。「空隙率」は、金属線に含まれる空隙の割合である。空隙率の詳細については、後で説明する。「素線強度」は、金属線の強度を表している。「引張強度」は、金属線の引張強度を表している。
　「荷重」は、図２に示される吊具５０が治具２０に対して鉛直上方に向けてかける最大荷重を表している。「荷重（１本）」は、金属線１本にかかる荷重を表している。図２に示したように、金属線は、２つの治具２０及び３０間で１往復するように架け渡されており、便宜上“２本”の金属線になっている。治具２０にかかる荷重は“２本”の金属線に分散されるので、１本あたりの荷重は、治具２０にかかる荷重の半分になる。
　「最大応力」は、最大荷重がかけられた場合に金属線に与えられる応力を表している。「応力振幅」は、疲労試験における応力の変化の幅を表している。上述したように、疲労試験では、最大荷重の１０％から最大荷重まで荷重が変化するので、金属線に与えられる応力も、最大応力の１０％（初期応力）から最大応力まで変化する。「応力振幅」は、最大応力と初期応力との差分の半分に相当する。
　「回数」は、疲労試験を行った結果、金属線が破断に至るまでの繰り返し回数を表している。
　図４は、疲労試験の結果を示す図である。図４において、縦軸は、疲労試験において金属線に与えられる最大応力を表している。横軸は、金属線が破断に至るまでの試験の繰り返し回数を表している。つまり、グラフの右側である程、金属線が破断しにくく、金属線が耐久性に優れていることを表している。なお、図４のグラフでは、疲労試験の最大回数として１００万回まで図示されているが、実際に疲労試験を行った回数の最大値は１０万回である。
　図４に示されるように、ピアノ線及びタングステン合金線のいずれも、最大応力が小さくなる程、試験の繰り返し回数が多くなっている。最大応力が４４００ＭＰａの場合、ピアノ線の繰り返し回数は、２２８回であった。これに対して、タングステン合金線又は純タングステン線では、繰り返し回数が２万回以上、具体的には、２１２８８回以上であった。つまり、タングステン合金線又は純タングステン線は、ピアノ線に比べておよそ１００倍以上の耐久性を有することが分かる。
　また、ピアノ線は、最大応力を９００ＭＰａまで下げたとしても、５５１２回、１５８４６回、又は２１７４６回で破断した。さらに最大応力を低くすれば、繰り返し回数が多くなる余地はあると推察できるが、ソーワイヤとしての利用にはタングステン合金線に比べて不向きである。つまり、仮に、柔らかいインゴットを切断する場合などのようにソーワイヤに係る最大応力が小さい場合であっても、ピアノ線についての試験の繰り返し回数が十分ではない。このため、ピアノ線は、再利用することが難しいだけではなく、インゴットの切断時に断線する可能性もあり、タングステン合金線に比べてソーワイヤに不向きである。
　これに対して、タングステン合金線では、最大応力の減少に対する繰り返し回数の延びが大きい。すなわち、最大応力を僅かに小さくするだけでも、繰り返し回数が大きく増加する。このため、インゴット５を切断する際の応力を小さく抑えることで、再利用の可能性をより一層高めることができる。
　なお、疲労試験の結果は、純タングステン線については１つのサンプルの結果しか表されていないが、タングステン合金線と同等の効果が得られる。また、タングステン合金線の場合についても、レニウム以外の金属（例えば、オスミウム）なども同等の効果が得られる。
　［空隙率と試験結果との関係］
　上述したとおり、本実施の形態に係る金属線１は、ピアノ線と比較して、耐久性が高く、ソーワイヤ３として利用された後の再利用も可能である。本願発明者らは、金属線１に含まれる空隙率と耐久性（繰り返し回数）とに有意な関係性があることを見出した。以下では、金属線１の空隙率と疲労試験の試験結果との関係について説明する。
　空隙率は、金属線１に含まれる空隙の割合を示している。具体的には、金属線１の断面における所定の単位面積あたり、空隙が占める面積の割合を表している。空隙率は、金属線１の断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像を観察することによって算出することができる。
　図５Ａ～図５Ｄはそれぞれ、表１の実施例１～４に係る金属線の断面図である。各図に示されるように、黒い部分が空隙である。空隙は、主に結晶粒界に存在している。実施例１～４に係る金属線の空隙率は、この順で小さくなっている。
　実施例１～４は、最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行ったサンプルである。表１及び図４に示されるように、空隙率が小さくなる程、試験の繰り返し回数が大きくなっていることが分かる。すなわち、空隙率が小さくなる程、金属線１の耐久性が高い。
　具体的には、実施例１に示すように、金属線１の空隙率が０．２５％以下であれば、ピアノ線に比べておよそ１００倍以上の耐久性を有することが分かる。金属線１の空隙率が０．１８％以下であれば、０．２５％の場合の約３倍以上の耐久性を有する。また、金属線１の空隙率が０．１１％以下であれば、０．２５％の場合の約４倍以上の耐久性を有する。金属線１の空隙率が０．０７％になると、金属線１は、１０万回の疲労試験でも破断せず、極めて耐久性が強いことが分かる。金属線１の空隙率は、０．０７％未満であってもよい。
　［製造方法］
　続いて、本実施の形態に係る金属線の製造方法について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態に係る金属線の製造方法を示すフローチャートである。
　図６に示されるように、まず、タングステンインゴットを準備する（Ｓ１０）。具体的には、タングステン粉末の集合物を準備し、準備した集合物に対してプレス及び焼結（シンター）を行うことで、タングステンインゴットを作製する。
　なお、タングステン合金からなる金属線１を製造する場合には、タングステン粉末と金属粉末（例えば、レニウム粉末）とを所定の割合で混合した混合物を、タングステン粉末の集合物の代わりに準備する。タングステン粉末及びレニウム粉末の平均粒径は、例えば３μｍ以上４μｍ以下の範囲であるが、これに限らない。
　次に、作製したタングステンインゴットに対してスエージング加工を行う（Ｓ１２）。具体的には、タングステンインゴットを周囲から鍛造圧縮して伸展させることで、ワイヤー状のタングステン線に成形する。スエージング加工の代わりに圧延加工でもよい。例えば、スエージング加工を繰り返し行うことで、直径が約１５ｍｍのタングステンインゴットを、線径が約３ｍｍのタングステン線に成形する。スエージング加工の途中の工程において、アニール処理を実施することにより以降の加工性を確保する。このときのアニール条件を調整することにより、上述した空隙率の異なる金属線１を製造することができる。具体的なアニール条件については、後で説明する。
　次に、加熱線引きの前にタングステン線を９００℃で加熱する（Ｓ１４）。具体的には、バーナーなどで直接的にタングステン線を加熱する。タングステン線を加熱することで、以降の加熱線引きで加工中に断線しないようにタングステン線の表面に酸化物層を形成させる。
　次に、加熱線引きを行う（Ｓ１６）。具体的には、１つの伸線ダイスを用いてタングステン線の線引き、すなわち、タングステン線の伸線（細線化）を、加熱しながら行う。加熱温度は、例えば１０００℃である。なお、加熱温度が高い程、タングステン線の加工性が高められるので、容易に線引きを行うことができる。１つの伸線ダイスを用いた１回の線引きによるタングステン線の断面減少率は、例えば１０％以上４０％以下である。線引き工程において、黒鉛を水に分散させた潤滑剤を用いてもよい。
　線引き工程後には、電解研磨を行うことで、タングステン線の表面を滑らかにしてもよい。電解研磨は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液などの電解液に、タングステン線と対向電極とを浸した状態で、タングステン線と対向電極との間に電位差が生じることで電解研磨が行われる。
　所望の線径のタングステン線が得られるまで（Ｓ１８でＮｏ）、加熱線引き（Ｓ１６）が繰り返される。ここでの所望の線径は、最後の線引き工程（Ｓ２０）を行う直前の段階の線径であり、例えば２５０μｍ以下である。
　加熱線引きの繰り返しにおいては、直前の線引きで用いた伸線ダイスよりも孔径が小さい伸線ダイスが用いられる。また、加熱線引きの繰り返しにおいて、直前の線引き時の加熱温度よりも低い加熱温度でタングステン線は加熱される。例えば、最後の線引き工程の直前の線引き工程での加熱温度は、それまでの加熱温度より低く、例えば４００℃であり、結晶粒の微細化に寄与させる。なお、加熱線引きでの加熱温度は、タングステン線の表面に付着する酸化物の量は、例えばタングステン線の０．８ｗｔ％以上１．６ｗｔ％以下の範囲となるように調整される。加熱線引きの繰り返しにおいて、電解研磨は省略されてもよい。
　所望の線径のタングステン線が得られ、次の線引き工程が最後である場合（Ｓ１８でＹｅｓ）、常温線引きを行う（Ｓ２０）。つまり、加熱をせずにタングステン線の線引きを行うことで、さらなる結晶粒の微細化を実現する。また、常温線引きにより結晶方位を加工軸方向（具体的には、線軸に平行な方向）に揃える効果もある。常温とは、例えば０℃以上５０℃以下の範囲の温度であり、一例として３０℃である。具体的には、孔径が異なる複数の伸線ダイスを用いてタングステン線の線引きを行う。
　常温線引きでは、水溶性などの液体潤滑剤を用いる。常温線引きでは加熱を行わないため、液体の蒸発が抑制される。したがって、潤滑剤として十分な機能を発揮させることができる。従来の伝統的なタングステン線の加工方法である６００℃以上の加熱線引きに対し、タングステン線への加熱を行わず、また、液体潤滑剤で冷却しながら加工することで、動的回復及び動的再結晶を抑制し、断線することなく、結晶粒の微細化に寄与させ、高い引張強度を得ることができる。
　最後に、常温線引きを行うことで形成された所望の線径のタングステン線に対して、電解研磨を行う（Ｓ２２）。電解研磨は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液などの電解液に、タングステン線と対向電極とを浸した状態で、タングステン線と対向電極との間に電位差が生じることで電解研磨が行われる。
　以上の工程を経て、本実施の形態に係る金属線１が製造される。上記製造工程を経ることで製造直後の金属線１の長さは、例えば５０ｋｍ以上の長さであり工業的に利用できる。金属線１は、使用される態様に応じて適切な長さに切断され、針又は棒の形状として使用することもできる。
　なお、金属線１の製造方法に示される各工程は、例えばインラインで行われる。具体的には、ステップＳ１６で使用される複数の伸線ダイスは、生産ライン上で孔径が小さくなる順で配置される。また、各伸線ダイス間にはバーナーなどの加熱装置が配置されている。また、各伸線ダイス間には電解研磨装置が配置されていてもよい。ステップＳ１６で使用される伸線ダイスの下流側（後工程側）に、ステップＳ２０で使用される複数の伸線ダイスが、孔径が小さくなる順で配置され、最も孔径が小さい伸線ダイスの下流側に電解研磨装置が配置される。なお、各工程は、個別に行われてもよい。
　以下では、空隙率を調整するためのスエージング工程（Ｓ１２）におけるアニール条件について、表２を用いて説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　スエージング加工は、対象となるタングステン線の線径に応じて、複数回段階的に行われる。このとき、アニールを行うことで、引張強度の向上と、その後の線引き工程での加工性の向上と、を実現している。
　表２に示されるように、実施例１では、線径が１１ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲において、１８００℃以上１９００℃以下の範囲の温度でアニールを行っている。タングステンは、２０００℃を超える温度でアニールを行った場合に再結晶する。再結晶しない条件でアニールを行うことにより、最終生産物である金属線１の引張強度を高めることができる。表１で示したように、実施例１に係るＲｅＷ線の引張強度は、実施例２に係る純タングステン線、並びに、実施例３及び４に係るＲｅＷ線の各引張強度よりも高くすることができている。
　次に、実施例１では、線径が５ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲において、１８００℃以上１９００℃以下の温度でアニールを行った。再結晶が発生しない温度範囲でアニールを行うことにより、強度を大幅に低下させることなく以降の工程での加工性を高めることができる。
　実施例２～４では、線径が１１ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲において、２０００℃以上２１００℃以下の温度でアニールを行った。温度が２０００℃以上であるので、タングステンの再結晶が発生し、存在していた空隙が粒界に移動する。このとき、温度を２１００℃以下で高くしすぎないことにより、実施例２に係る純タングステン線では、再結晶による粒径は１００μｍ程度に抑えられる。これにより、粒界を多く形成させることができ、空隙をタングステン線内で分散させることができる。また、実施例３及び４に係るＲｅＷ線では、再結晶による粒径は５０μｍ程度に抑えられる。このため、空隙をより多く分散させることができる。以降のスエージング加工において、粒界を通じて空隙をタングステン線の外部に放出することができ、空隙率を低下させることができる。実施例３及び４では、空隙の分散状態が良好であるため、実施例２の場合よりも空隙率をより低くすることができる。なお、実施例３及び４の空隙率の差異は、製造ばらつき又は空隙率の測定ばらつきに起因する。
　実施例２～４では、さらに、線径が５ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲において、１６００℃以上１７００℃以下の温度でアニールを行った。再結晶が発生しない温度範囲でアニールを行うことにより、強度を低下させることなく以降の工程での加工性を高めることができる。なお、実施例２～４では、実施例１と比較して、第１アニールでの温度が高い。このため、実施例１の場合よりも、第２アニールの温度を低くしている。これにより、実施例２～４に係る金属線１の引張強度を４８００ＭＰａ以上に確保できている。
　［効果など］
　以上のように、本実施の形態に係る金属線１は、タングステン又はタングステン合金からなり、ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格に準じて最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行った場合における断線に至るまでの回数が２万回以上である。
　これにより、耐久性が高い金属線１を実現することができる。例えば、金属線１がソーワイヤ３として利用された場合には、再利用が可能になる。
　また、例えば、上記断線に至るまでの回数は、６万回以上である。
　これにより、金属線１の耐久性がより高いので、再利用などにより有効である。
　また、例えば、金属線１におけるタングステンの空隙率は、０．２５％以下である。
　これにより、金属線１の耐久性を高めることができる。
　また、例えば、金属線１の引張強度は、４．８ＧＰａ以上である。
　これにより、金属線１（ソーワイヤ３）をガイドローラに強く張ることができるので、金属線１の揺れ幅を小さくすることができる。揺れ幅が小さくなることで、切断対象物の切り代が小さくなる。これにより、切断対象物のロスを少なくすることができる。
　また、例えば、本実施の形態に係るソーワイヤ３は、金属線１と、金属線１の表面に電着された砥粒２と、を備える。
　これにより、耐久性が高いソーワイヤ３を実現することができる。例えば、インゴット５の切断に使用したソーワイヤ３に対して、砥粒２及びめっき層の剥離を行った後、砥粒２の電着を行うことで、ソーワイヤ３を再生産することができる。
　（その他）
　以上、本発明に係る金属線及びソーワイヤについて、上記の実施の形態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、ソーワイヤ３は、電着された砥粒２を有しなくてもよい。例えば、ソーワイヤ３は、金属線１のみを有し、遊離砥粒方式の切断装置に利用されてもよい。
　また、例えば、金属線１に含まれるタングステンの含有率は、９０ｗｔ％未満であってもよい。例えば、金属線１に含まれるタングステンの含有率は、５０ｗｔ％より大きい。金属線１に含まれるタングステンの含有率は、７０ｗｔ％以上であってもよく、７５ｗｔ％以上であってもよく、８０ｗｔ％以上であってもよく、８５ｗｔ％以上であってもよい。
　また、例えば、上記の実施の形態では、金属線１には、微量のカリウムなどがドープされていてもよい。ドープされたカリウムは、タングステンの結晶粒界に存在する。カリウム（Ｋ）の含有量は、例えば０．０１０ｗｔ％以下である。カリウムドープタングステン線でも、タングステン合金線の場合と同様に、ピアノ線の一般的な引張強度よりも高い引張強度を有する金属線を実現することができる。カリウムの酸化物に限らず、セリウム又はランタンなどの別の物質の酸化物でも同様の効果が得られる。
　また、例えば、金属線１は、ソーワイヤ３以外の用途に使用されてもよい。例えば、金属線１は、金属製のメッシュ又は撚り線若しくはロープなどの他の用途に用いられてもよい。
　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　金属線
２　砥粒
３　ソーワイヤ

Claims (5)

  1. 　タングステン又はタングステン合金からなり、
    　ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格に準じて最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行った場合における断線に至るまでの回数が２万回以上である、
    　金属線。
  2. 　ＪＩＳ　Ｃ６８２１規格に準じて最大応力４４００ＭＰａで疲労試験を行った場合における断線に至るまでの回数が６万回以上である、
    　請求項１に記載の金属線。
  3. 　前記金属線におけるタングステンの空隙率は、０．２５％以下である、
    　請求項１又は２に記載の金属線。
  4. 　前記金属線の引張強度は、４．８ＧＰａ以上である、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の金属線。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の金属線と、
    　前記金属線の表面に電着された砥粒と、を備える、
    　ソーワイヤ。
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