JP7447828B2

JP7447828B2 - ワークの切断方法

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Publication number: JP7447828B2
Application number: JP2021003020A
Authority: JP
Inventors: 史朗豊田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2041-01-12
Also published as: JP2022108143A

Description

本発明は、ワークの切断方法に関する。

従来、例えばシリコンインゴットや化合物半導体インゴット等のワークからウェーハを切り出す手段として、ワイヤソーが知られている。このワイヤソーでは、複数の溝つきローラの周囲に切断用ワイヤ（以下、単にワイヤとも言う）が螺旋状に多数巻掛けられることにより、ワイヤ列が形成されており、その切断用ワイヤが軸方向に高速駆動され、かつ、加工液が適宜供給されながらワイヤ列に対してワークが切り込み送りされることにより、このワークが各ワイヤ位置で同時に切断されるようにしたものである（特許文献１）。
このようなワイヤソーにおいて、例えば遊離砥粒方式のものでは、加工液として、砥粒を含んだスラリが用いられる。この砥粒が高速駆動するワイヤにより加工部へ運搬され、研磨作用によりワークが削られることで、切断が行われる。

ワイヤソーに使用されるワイヤは、図３に示すような、鋼線等の線材が素線として用いられた直線形状のものが一般的であるが、砥粒の運搬能力向上を目的として、図２に示すような周期的な波形状を有したワイヤも用いられる。波形状を有したワイヤは、その谷部分に砥粒を捕捉することで、直線形状のワイヤよりも多くの砥粒を加工部に供給可能であり、切断効率に優れる。波形状を有するワイヤの波高さ（振幅）は、主にワイヤ製造時に決定される。なお、図２では、波形状が分かりやすいよう素線径（図２中の線の太さ）に対して波形状の振幅を誇張して描いている。

一方で、波形状を有するワイヤは、使用するスラリに適した振幅の選定が難しく、また、均一な振幅をワイヤ長手方向に製造することが困難であるため、砥粒の運搬量が安定せず、切断中の切れ味の変化が大きいことから、直線形状のワイヤよりも切り出されたウェーハの形状精度が劣る。

特開２０１９－１１４６９０号公報

本発明は、前述のような問題に鑑みてなされたものであり、波形状を有するワイヤを用いて、切断効率に優れ、かつ、切り出されたウェーハの形状精度が優れたワークの切断方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、波形状を有するワイヤを複数の溝付ローラに巻掛けることによってワイヤ列を形成し、該ワイヤ列に砥粒を含むスラリを供給しつつ、前記ワイヤに張力を付与して軸方向に往復走行させ、前記ワイヤ列に対してワークを切り込み送りすることによって、前記ワークを軸方向に並ぶ複数の箇所で同時に切断するワイヤソーによるワークの切断方法であって、
前記ワイヤに付与する張力を、該ワイヤの破断強度の５０％以上６０％以下の範囲とし、かつ、
前記ワイヤの波形状の平均振幅を、切断に使用する前記砥粒のメジアン径の１１０％以上１４０％以下の範囲とすることを特徴とするワークの切断方法を提供する。

このように、波形状を有するワイヤの付与張力（以下、単に張力とも言う）と波形状の平均振幅を上記の適切な範囲に設定することで、切れ味が安定するので、切断効率に優れ、かつ、切り出されたウェーハの形状精度が優れたワークの切断が可能となる。その上、ワイヤの断線のリスクも抑えることができる。

このとき、前記切断するワークをシリコン単結晶インゴットとすることができる。

このようにすれば、形状精度の良いシリコン単結晶ウェーハを効率良く得ることができる。

以上のように、本発明のワークの切断方法であれば、ワイヤが断線するリスクを抑制しつつ、形状精度が優れた高品質のウェーハを効率良く切り出すことが可能である。

本発明のワークの切断方法に使用することができるワイヤソーの一例を示す概略図である。ワイヤソーにおける波形状を有するワイヤの一例を示す説明図である。ワイヤソーにおける直線形状のワイヤの一例を示す説明図である。

以下、本発明について図面を参照して実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
まず、本発明のワークの切断方法に使用することができるワイヤソーについて、図１を参照して説明する。図１に示すように、ワイヤソー１は、主に、ワークＷを切断するためのワイヤ２、ワイヤ２を巻き掛けた複数の溝付ローラ３、３’、溝付ローラ３、３’間に形成されたワイヤ列１１、ワイヤ２に張力を与えるための張力付与機構４、４’、切断するワークＷを保持しながらワイヤ列１１に切り込み送りすることができ、なおかつ、切り込み送りした方向とは逆方向に相対的にワークＷを移動させることもできるワーク送り手段５、切断時に加工液（砥粒を含むスラリ）を供給するノズル６ａを有する加工液供給機構６を具備している。

ワイヤ２は、一方のワイヤリール７から繰り出され、トラバーサ８を介してパウダクラッチ（定トルクモータ９）等からなる張力付与機構４を経て、溝付ローラ３に入っている。ワイヤ２がこの溝付ローラ３と３’に４００～５００回程度巻掛けられることによってワイヤ列１１が形成される。ワイヤ２は、パウダクラッチ（定トルクモータ９’）等から成るもう一方の張力付与機構４’を経て、トラバーサ８’を介してワイヤリール７’に巻き取られている。なお、ワイヤ２は図２のような波形状を有するものであり、スラリ中の砥粒との関係が一定の条件を満たすものとなっている。この条件については後述する。

このようなワイヤソー１では、ワイヤ２をその軸方向に往復走行させながら、ワーク送り手段５によってワイヤ列１１に対してワークＷを切り込み送りすることにより、ワークＷを軸方向に並ぶ複数の箇所で同時に切断することができる。なお、ワイヤ２の往復走行は、複数の溝付ローラ３、３’間に巻回されたワイヤ２を一方向へ所定の長さ前進させた後に、逆方向へ前述の前進量よりも少ない長さ後退させ、これを一送りサイクルとして、このサイクルを繰り返すことにより、ワイヤ２を一方向へ送り出すことができる。溝付ローラ３’には駆動用モータ１０が備え付けられており、巻掛けられたワイヤ２が駆動用モータ１０によって予め定められた周期で往復方向に駆動できるようになっている。

次に、図１に示すようなワイヤソー１を用いた本発明のワークの切断方法について説明する。ここでは切断対象のワークＷをシリコン単結晶インゴットとし、シリコン単結晶ウェーハを得る場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のインゴット、例えば化合物半導体インゴットなどを切断する場合にも適用可能である。

まず、ワイヤソー１を用意するが、このとき、ワイヤ２と切断に使用するスラリ中の砥粒の組み合わせにより、前述したようにワイヤ２と砥粒との関係が一定の条件を満たすようにする。使用する砥粒に合わせてワイヤ２を用意しても良いし、使用するワイヤ２に合わせて砥粒を用意しても良い。具体的には、波形状を有するワイヤ２の波形状の高さの平均値（平均振幅）が、切断に使用する砥粒のメジアン径の１１０％以上１４０％以下の範囲になるようにする。このように、ワイヤ２の波形状の平均振幅を砥粒のメジアン径の１４０％以下とすることで、ワイヤの谷部分に捕捉されて加工部に運搬される砥粒の最大径が安定し、切れ味が安定するので、ワークＷから切り出されたウェーハの形状精度が向上する。また、ワイヤ２の波形状の平均振幅を砥粒のメジアン径の１１０％以上とすることで、加工に最も寄与することが期待されるメジアン径の砥粒が、ワイヤ２の波形状の谷部分に補足されて加工部に運搬されやすくなるので、図３のような直線形状のワイヤよりも切断効率に優れる。
振幅の平均値が上記条件を満たせば足りるが、均一な振幅を有するものであると、より確実に上記効果を得ることができるため好ましい。また、切断時にはワイヤ２に張力を付与するが、ここでいう平均振幅とは、その張力を付与する前の状態での数値を言う。

なお、上記条件を満たす波形状を有するワイヤ２と砥粒の組み合わせであればよく、ワイヤ２や砥粒の種類自体は特に限定されない。
例えば、ワイヤ２としては素線径が１００～１８０μｍ程度であり、波形状の平均振幅が５．７～１６．６μｍ程度の鋼線を用意することができ、砥粒としては炭化珪素砥粒やダイヤモンド砥粒などが、一般的によく使用される。砥粒番手が＃８００～３０００で、メジアン径が５．７±０．５～１８±１μｍ程度のものを用意することができる。
なお、砥粒径は、例えばレーザー回折・散乱法で測定可能である。

次に図１のように、上記のようにして用意したワイヤ２を複数の溝付ローラ３、３’に巻掛けることによってワイヤ列１１を形成する。
そして、張力付与機構４、４’により、ワイヤ２へ付与する張力を調整する。このとき、波形状を有するワイヤ２の付与張力をワイヤ２の破断強度の５０％以上６０％以下の範囲とする。このように、ワイヤ２の張力を破断強度の５０％以上とすることで、切断中のワイヤ２のブレを抑制できるので、切断の軌跡が安定し、切り出されたウェーハの形状精度が向上する。また、ワイヤ２の張力を破断強度の６０％以下とすることで、切断中にワイヤ２が断線するリスクを抑制することができる。
なお、ワイヤの破断強度は、例えば金属材料引張試験（ＪＩＳＺ２２４１）に基づき、ワイヤの引張試験において破断した時の力（Ｎ／ｃｍ^２）とすることができる。

続いて、張力が付与された状態で、ワイヤ２を駆動用モータ１０によってワイヤ２の軸方向に往復走行させる。また、加工液供給機構６から砥粒を含むスラリの供給も開始する。この砥粒はメジアン径がワイヤ２の波形状の平均振幅との間で前述の関係を満たすものである。
そして、ワーク送り手段５によって、ワイヤ列１１に対してワークＷを切り込み送りすることにより、ワークＷを軸方向に並ぶ複数の箇所で同時に切断する。
切断終了後、ワークＷを切り込み送りした方向とは逆方向に相対的に移動させることによって、切断後のワークＷをワイヤ列１１から引き抜く。

以上のような工程により、ワークＷから複数枚のウェーハ（シリコン単結晶ウェーハ）を同時に得ることができる。しかも、ワイヤ２の波形状の平均振幅とスラリ中の砥粒のメジアン径との関係、かつ、ワイヤ２に付与する張力と破断強度との関係、が各々前述した関係を満たしているため、ワイヤ２が断線するリスクを効果的に減らすことができるし、形状精度が優れたウェーハ（例えば、Ｗａｒｐが５μｍ以下のもの）を切断効率良く切り出すことができる。これにより、ウェーハ製造の歩留りや生産性を向上させることが可能である。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例、比較例）
図１に示すワイヤソー１を用い、切断対象のワーク、ワイヤ、加工液（砥粒を含むスラリ）に関して表１に示す条件でワークの切断を行った。
具体的には、切断するワークとしては、直径約３００ｍｍの円柱状のシリコン単結晶インゴットを用いた。
また、加工液としては、メジアン径が８μｍである砥粒（材質：ＳｉＣ）を含むスラリを用いた。
切断用のワイヤ（鋼線）としては、素線径が１３０μｍである直線形状のワイヤと、素線径が１３０μｍであり、波形状の平均振幅が８．０μｍ、８．８μｍ、１１．２μｍ、１２μｍである４種類の周期的な波形状を有するワイヤを用いた。上記のように砥粒のメジアン径が８μｍであるため、該メジアン径に対するワイヤの波形状の平均振幅の割合（割合Ａ）は１００％、１１０％、１４０％、１５０％であった。
切断時のワイヤの張力は２３Ｎ／ｃｍ^２、２５Ｎ／ｃｍ^２、３０Ｎ／ｃｍ^２、３３Ｎ／ｃｍ^２の４段階で変化させた。すなわち、ワイヤの破断強度（約５０Ｎ／ｃｍ^２）に対する付与張力の割合（割合Ｂ）は４５％、５０％、６０％、６５％であった。
なお、波形状を有するワイヤを用い、砥粒のメジアン径に対するワイヤの波形状の平均振幅の割合が１１０％か１４０％のどちらか、かつ、ワイヤの破断強度に対する付与張力の割合が５０％か６０％のどちらか、の場合が本発明の切断方法による実施例である。それ以外の条件の場合が比較例である。
以上のような条件でワークの切断を行い、切り出された複数のウェーハのＷａｒｐを測定し、切断条件ごとに平均Ｗａｒｐの値を算出して、直線形状のワイヤについては表２、波形状を有するワイヤについては表３に示す。

まず、表２（いずれも比較例）から分かるように、直線形状のワイヤは、ワークの送り速度が０．１８ｍｍ／ｍｉｎ以下で、ワイヤの張力が２５Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：５０％）以下の範囲であれば、５μｍ以下の良好なＷａｒｐが得られた。しかし、直線形状のワイヤは、波形状を有するワイヤと比較して砥粒の運搬能力が低いため、切断中にワイヤにかかる負荷が大きくなり、ワークの送り速度が０．１８ｍｍ／ｍｉｎの場合では２５Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：５０％）より大きな張力で切断を行うと、切断中にワイヤが断線するリスクが高まった。また、ワークの送り速度が０．２０ｍｍ／ｍｉｎの場合では、２３Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：４５％）より大きな張力で切断を行うと、切断中にワイヤが断線するリスクが高まった。

また表３は、表中、太枠で囲っている４つのＷａｒｐの値が実施例の結果であり、その他が比較例の結果である。波形状を有するワイヤは、直線形状のワイヤよりも砥粒の運搬能力が高いため、ワイヤにかかる負荷が小さくなり、切断中にワイヤが断線するリスクを抑制することができる。直線形状のワイヤでは２５Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：５０％）で断線してしまったワークの送り速度が０．２０ｍｍ／ｍｉｎのときでも、ワイヤの張力が３０Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：６０％）の場合でも断線を防いでいる。ただし、その３０Ｎ／ｃｍ^２を超えて３３Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：６５％）であると断線のリスクが高まってしまった。３３Ｎ／ｃｍ^２のケースで４．６μｍという形状精度の良いスライスウェーハが得られた例もあるものの、断線のリスクを考慮すると３０Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：６０％）以下で切断を行うべきと考えられる。一方で２３Ｎ／ｃｍ^２（割合Ｂ：４５％）では、張力不足でワイヤのブレが生じたためか、Ｗａｒｐが５μｍを超えてしまい、良好な形状精度を得られなかった。
また、波形状の平均振幅が８．０μｍ（割合Ａ：１００％）では、切断加工に最も寄与するとされているメジアン径の砥粒を運搬しにくいせいか切断効率が悪く、他と比べて切断に時間を要し、また形状精度も良くなかった。また、１２．０μｍ（割合Ａ：１５０％）の場合、ワイヤの波形状が大きく、その谷部分に補足されて運搬される砥粒の最大径が安定しないせいか、形状精度も良くなかった。

以上より、波形状を有するワイヤの付与張力を破断強度の５０％以上６０％以下の範囲とし、かつ、波形状の平均振幅を切断に使用する砥粒のメジアン径の１１０％以上１４０％以下の範囲とすることで、Ｗａｒｐが５μｍ以下である、形状精度に優れたスライスウェーハを、直線形状のワイヤを使用した場合よりも短い時間で得ることができた。直線形状のワイヤのときは、Ｗａｒｐの値も考慮すると、ワークの平均送り速度は表２のようにせいぜい０．１８ｍｍ／ｍｉｎとするしかなかったが、本発明を実施した場合、０．２０ｍｍ／ｍｉｎでも十分に形状精度の良いスライスウェーハを得ることができ、工程の短時間化を図ることができた。
ところで本発明の有効性はワーク送り速度が０．２０ｍｍ／ｍｉｎ以下の場合に限定されるものではなく、それより速いワーク送り速度の場合においても切断を試したところ、同様に高品質のスライスウェーハを得ることができた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…ワイヤソー、２…ワイヤ、３、３’…溝付ローラ、
４、４’…張力付与機構、５…ワーク送り手段、６…加工液供給機構、
６ａ…ノズル、７、７’…ワイヤリール、８、８’…トラバーサ、
９、９’…定トルクモータ、１０…駆動用モータ、１１…ワイヤ列、
Ｗ…ワーク。

Claims

波形状を有するワイヤを複数の溝付ローラに巻掛けることによってワイヤ列を形成し、該ワイヤ列に砥粒を含むスラリを供給しつつ、前記ワイヤに張力を付与して軸方向に往復走行させ、前記ワイヤ列に対してワークを切り込み送りすることによって、前記ワークを軸方向に並ぶ複数の箇所で同時に切断するワイヤソーによるワークの切断方法であって、
前記ワイヤに付与する張力を、該ワイヤの破断強度の５０％以上６０％以下の範囲とし、かつ、
前記ワイヤの波形状の平均振幅を、切断に使用する前記砥粒のメジアン径の１１０％以上１４０％以下の範囲とし、
前記ワークの送り速度を０．２０ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とするワークの切断方法。
前記切断するワークをシリコン単結晶インゴットとすることを特徴とする請求項１に記載のワークの切断方法。