(57)【要約】【課題】高効率、高精度で切断できるワイヤソーによる切断方法を提供。【解決手段】回転ローラA、B間に張設された複数ワイヤ2から成るワイヤ列20を、円柱形状の被加工物1に対しその切断方向4へ押し付けながら各ワイヤを走行運動させ、被加工物の中心軸Pを通るワイヤ群の切断方向を示す直線40群と回転ローラの各回転軸R1，R2を結ぶ直線41群が交わる交点群をワイヤ列の揺動中心軸Qにしてワイヤ列を揺動させながら被加工物を切断する方法で、被加工物の中心軸を通るワイヤ群の切断方向を示す直線群が回転ローラの各回転軸を結ぶ直線群と垂直に交わるときの走行位置を走行基準位置、揺動走行時における回転ローラの各回転軸を結ぶ直線群と走行基準位置における回転ローラの各回転軸を結ぶ直線群とが揺動中心軸Q部においてなす角を揺動角度５とした場合、揺動角度を5度以上にしてワイヤ列を揺動させることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の回転ローラＡ、Ｂ間に互いに所定間隔をして平行に張設された複数のワイヤから成るワイヤ列を、円柱形状若しくは略円柱形状を有する被加工物に対し、その切断方向へ相対的に押し付けながら各ワイヤを一方向あるいは往復方向へ走行運動させると共に、被加工物の中心軸を通るワイヤ群の切断方向を示す直線群と上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群とが交わる交点群をワイヤ列の揺動中心軸にしてワイヤ列を揺動させながら被加工物を略垂直に切断するワイヤソーによる切断方法において、
被加工物の中心軸を通るワイヤ群の切断方向を示す直線群が上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群と垂直に交わるときの走行位置をワイヤ列の走行基準位置と定義し、かつ、揺動走行時における上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群と走行基準位置における回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群とが上記揺動中心軸部においてなす角を揺動角度と定義した場合、上記揺動角度を５度以上に設定してワイヤ列を揺動させることを特徴とするワイヤソーによる切断方法。
【請求項２】
上記被加工物における材質が、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮであることを特徴とする請求項１に記載のワイヤソーによる切断方法。
【請求項３】
上記ワイヤ列におけるワイヤが、芯線の表面に砥粒が固着された固定砥粒ワイヤで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤソーによる切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ等の高硬度材料から成る被加工物をワイヤソーにより切断する方法に係り、特に、高効率でしかも高精度に切断加工できる切断方法の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮやＡｌＮ等は、ワイドギャップ半導体基板材料として、青色・紫外領域での発光デバイスや、高周波、ハイパワー電子デバイス用途に用いられており、更なる高性能化に向けた研究開発も活発に行われている有用な材料である。
【０００３】
これ等の基板材料を製造するには、まず、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や昇華法、溶液成長法等によって単結晶インゴットを作製し、次いで、単結晶インゴットを切断加工して任意の結晶方位を表面に持ったウエハー形状の基板を得る方法が一般的である。
【０００４】
ところで、これ等の材料は、いずれも高硬度であるため、単結晶インゴットを切断してウエハー状にするための加工は困難が伴い、また、切断加工されるウエハーには、反りや厚さの均一性といった加工精度においても一定の品質が要求される。
【０００５】
例えば、シリコンのような半導体材料をウエハー状に切断加工するには、従来、ダイヤモンド砥粒を内周部に固着させたダイヤモンド内周刃が使用されてきた。しかし、ダイヤモンド内周刃を用いるこの方法では、サファイアを始めとする高硬度材料を加工するにはウエハー一枚を加工するのに長時間を要し、更に、ダイヤモンド内周刃の寿命が極端に短く内周刃の交換が頻繁に必要となる等、歩留まり、生産性、コストのすべての点で採用に耐える方法ではなかった。
【０００６】
一方、シリコンのような半導体材料においても、加工材の大型化、歩留まりや生産性、コストの低減が要求され、その結果、現在主流となっているのが、ワイヤソー方式と呼ばれる切断加工方法である。
【０００７】
このワイヤソー方式では、所定間隔を介し複数のワイヤが互いに平行に溝付きローラ等に張設されたワイヤ列を、一方向あるいは往復に走行運動させながら被加工物に相対的に押し付けて切断加工を行う。また、この方法には、ワイヤと被加工物が接触する部分に砥粒を含む加工液を供給する方式（遊離砥粒方式）と、予めワイヤに砥粒を固着させたものを用いる方式（固定砥粒方式）がある。
【０００８】
そして、サファイア、ＳｉＣといった高硬度材料の切断は、上記のようなワイヤソー方式を用いることによって実用に供されるようになってきた経緯がある。しかしながら、被加工物の硬度が高いことにより、砥粒としてはダイヤモンドといった高価な材料を用いる必要がある。また、ワイヤに過度の負荷をかけることにより切断途中でワイヤが断線してしまうといった事態を避けるため切断速度には限界が存在する。加えて、切断されるウエハーには基板材料として必要な反り、厚さバラツキ等の加工精度が要求されるため、切断速度を更に遅くすることによって必要な加工精度を得るしかないといった問題がある。
【０００９】
このような技術的背景の下、ワイヤソーの加工効率を上げるため、走行するワイヤ列が被加工物に対し揺動運動するワイヤソーの装置が提案されている（特許文献１参照）。また、サファイアのような高硬度の単結晶材料を精度良く切断するためには特定の結晶方位を選択して切断方向とする等が検討されている（特許文献２参照）。
【００１０】
しかし、サファイアを始めとする高硬度材料について、短時間で効率良く、しかも高精度に切断できるワイヤソーによる切断方法は未だ開発されていないのが現状である。
【特許文献１】特公平６−３５１０７号公報
【特許文献２】特開２００３−３２０５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、その課題とするところは、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ等の高硬度材料から成る被加工物を、効率良く、しかも高精度に切断できるワイヤソーによる切断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、上記課題を解決するため、本発明者等がサファイアを始めとする高硬度材料のワイヤソーによる切断条件、特に、走行運動するワイヤと被加工物との間の揺動角度に着目して鋭意研究を重ねた結果、高硬度材料から成る被加工物を効率良く、しかも高精度に切断するのに適した揺動角度が存在することを発見し本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、請求項１に係る発明は、
一対の回転ローラＡ、Ｂ間に互いに所定間隔をして平行に張設された複数のワイヤから成るワイヤ列を、円柱形状若しくは略円柱形状を有する被加工物に対し、その切断方向へ相対的に押し付けながら各ワイヤを一方向あるいは往復方向へ走行運動させると共に、被加工物の中心軸を通るワイヤ群の切断方向を示す直線群と上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群とが交わる交点群をワイヤ列の揺動中心軸にしてワイヤ列を揺動させながら被加工物を略垂直に切断するワイヤソーによる切断方法を前提とし、
被加工物の中心軸を通るワイヤ群の切断方向を示す直線群が上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群と垂直に交わるときの走行位置をワイヤ列の走行基準位置と定義し、かつ、揺動走行時における上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群と走行基準位置における回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群とが上記揺動中心軸部においてなす角を揺動角度と定義した場合、上記揺動角度を５度以上に設定してワイヤ列を揺動させることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係るワイヤソーによる切断方法を前提とし、
被加工物の材質が、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮであることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の発明に係るワイヤソーによる切断方法を前提とし、
上記ワイヤ列におけるワイヤが、芯線の表面に砥粒が固着された固定砥粒ワイヤで構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るワイヤソーによる切断方法によれば、
一対の回転ローラＡ、Ｂ間に互いに所定間隔をして平行に張設された複数のワイヤから成るワイヤ列を、円柱形状若しくは略円柱形状を有する被加工物に対し、その切断方向へ相対的に押し付けながら各ワイヤを一方向あるいは往復方向へ走行運動させると共に、被加工物の中心軸を通るワイヤ群の切断方向を示す直線群と上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群とが交わる交点群をワイヤ列の揺動中心軸にしてワイヤ列を揺動させながら被加工物を略垂直に切断するワイヤソーによる切断方法を前提とし、
被加工物の中心軸を通るワイヤ群の切断方向を示す直線群が上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群と垂直に交わるときの走行位置をワイヤ列の走行基準位置と定義し、かつ、揺動走行時における上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群と走行基準位置における回転ローラＡ、Ｂの各回転軸を結ぶ直線群とが上記揺動中心軸部においてなす角を揺動角度と定義した場合、上記揺動角度を５度以上に設定しているため、
サファイアやＳｉＣ、ＧａＮやＡｌＮといった高硬度材料から成る被加工物の切断であっても、反りや厚さバラツキ等の加工精度を所定の範囲に維持した状態で、切断時間を従来よりも短くすることが可能となり、工期および切断に必要な消耗部材等を低減することができる。
【００１６】
従って、サファイアを始めとする高硬度基板材料の製造に対して、製造納期の短縮、加工に要する緒コストの低減が図れる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図１の説明図を参照して詳細に説明する。
【００１８】
すなわち、本発明に係るワイヤソーによる切断方法は、一対の回転ローラＡ、Ｂ間に互いに所定間隔をして平行に張設された複数のワイヤ２から成るワイヤ列２０を、円柱形状若しくは略円柱形状を有する被加工物１に対し、その切断方向４へ相対的に押し付けながら各ワイヤ２を一方向あるいは往復方向へ走行運動させると共に、被加工物１の中心軸Ｐを通るワイヤ２群の切断方向を示す直線４０群と上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群とが交わる交点群をワイヤ列２０の揺動中心軸Ｑにしてワイヤ列２０を揺動させながら被加工物１を略垂直に切断するワイヤソーによる切断方法であって、被加工物１の中心軸Ｐを通るワイヤ２群の切断方向を示す直線４０群が上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群と垂直に交わるときの走行位置をワイヤ列２０の走行基準位置と定義し、かつ、揺動走行時における上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群と走行基準位置における回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群とが上記揺動中心軸Ｑ部においてなす角を揺動角度５と定義した場合、上記揺動角度５を５度以上に設定してワイヤ列２０を矢印３で示す方向へ揺動させることを特徴とするものである。尚、ワイヤ列２０を被加工物１に対して相対的に押し付けるとは、被加工物１とワイヤ列２０の少なくとも一方を他方に対し押し付けることを意味する。
【００１９】
ここで、ワイヤ列２０を揺動させることによる効果は次のように考えられる。まず、切断中に揺動運動を加えることは、ワイヤ２と被加工物１との接触面を揺動がない場合の線接触から点接触に近くなるような状態にすることである。このため、接触部には実質的により高い荷重を加えることができ、また、切断のための砥粒（遊離砥粒の場合は加工液に分散された砥粒であり、固定砥粒の場合はワイヤ芯線に固着された砥粒）が効率的に接触部に作用する。更に、冷却作用や切粉を排出させる作用を持つ加工液の供給および排出が上記揺動によって促進され、効率的な加工が実現される。また、サファイア等の結晶材料は、劈開性に代表されるように加工特性に異方性を有し、その結果、切断方向によっては特定の方向にワイヤが変位しやすいといった現象により加工精度を悪化させる場合がある。このような現象に対して、ワイヤ列２０の揺動を加えながら切断することは、切断方向に対してワイヤ２の作用する方向が分散されて平均化される効果を持つため、特定の方向にワイヤ２が変位するような現象を抑制し、結果として高精度加工が可能となる。
【００２０】
ところで、本発明は、揺動走行時における上記回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群と走行基準位置における回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群とが上記揺動中心軸Ｑ部においてなす角を揺動角度５と定義した場合、揺動角度５を５度未満に設定してワイヤ列２０を矢印３で示す方向へ揺動させても、その揺動の効果が充分でなく、揺動角度５を５度以上に設定してワイヤ列２０を矢印３で示す方向へ揺動させた場合に顕著にその効果が現われることを発見して実現されている。
【００２１】
特に、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮといった高硬度材料で、かつ、高精度に加工する必要のあるデバイス用基板材料についてワイヤソーを用いて切断する場合に、本発明に係るワイヤソーによる切断方法は非常に有効な手段となる。
【００２２】
また、本発明において適用されるワイヤは、芯線の表面に砥粒が固着された固定砥粒ワイヤであることが好ましい。遊離砥粒を用いた場合にも本発明の効果は充分にあるが、固定砥粒を用いた場合に、特に切断速度の高速化が可能となる効果が大きいことも見出されている。
【００２３】
尚、本発明に係るワイヤソーによる切断方法においては、ワイヤを走行、往復運動させて被加工物へ相対的に押し付けるワイヤソーとしての基本的な機能を実現させる方法、機構の相違によって本発明の効果が変わるものではない。
【００２４】
また、本発明に係るワイヤソーによる切断方法において、揺動を与えるための方法や機構によって本発明の効果が変わるものではなく、定義された上記揺動角度を５度以上に設定して揺動が与えられる方法や機構ならば任意である。
【００２５】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明に係る切断方法はこれ等実施例によってなんら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
被加工物１として円柱状に加工された、直径７７ｍｍ、長さ１５０ｍｍのサファイアインゴットを用いた。また、ワイヤ２には直径１８０μｍのピアノ線を用い、約１０μｍのダイヤモンド砥粒が分散された遊離砥粒を含む加工液の供給を３０リットル／ｍｉｎとした。ワイヤ列２０における各ワイヤ２の間隔は、被加工物１を切断して得られるサファイアウエハーの厚さが０．８ｍｍとなるように一対の溝付き回転ローラＡ、Ｂによって調整し、ワイヤ２の走行速度５００ｍ／ｍｉｎ、張力を３０Ｎ、ワイヤ列２０を被加工物１に対し押し付ける切り込み速度（切断速度）を３ｍｍ／ｈｒとした。揺動運動には、一対の溝付き回転ローラＡ、Ｂが取り付けられている回動部材を、一定の軸心を中心に所定の角変位で往復運動させる機構を持つ特許文献１に記載の装置と同様のものを用いた。上記ワイヤ列２０の揺動は、図１に示す揺動走行時における回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群と走行基準位置における回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線４１群とが揺動中心軸Ｑ部においてなす角すなわち揺動角度５を５度に設定し、かつ、図１において矢印３に示す方向へ３６０度／ｍｉｎの角速度で往復運動させた。
【００２７】
そして、実施例１に係る切断方法で切断されたサファイアウエハーの厚さバラツキ、反りを測定したところ、最大厚さバラツキは１５μｍ、最大反りは３０μｍであった。
［比較例１］
上記揺動角度５を３度に設定した以外は実施例１と同様の方法でサファイアインゴットから成る被加工物１を切断した。
【００２８】
そして、実施例１と同様に切断されたサファイアウエハーの厚さバラツキ、反りを測定したところ、最大厚さバラツキは２５μｍ、最大反りは５０μｍであり、実施例１と較べて加工精度に劣ることが確認された。
【実施例２】
【００２９】
直径１８０μｍのピアノ線に約５０μｍのダイヤモンド砥粒が固着された固定砥粒ワイヤをワイヤとして用い、かつ、遊離砥粒が含まれていない加工液を３０リットル／ｍｉｎ供給した以外は実施例１と同様の方法でサファイアインゴットから成る被加工物１を切断した。
【００３０】
そして、実施例１と同様に切断されたサファイアウエハーの厚さバラツキ、反りを測定したところ、最大厚さバラツキは１０μｍ、最大反りは２５μｍであり、実施例１と較べて加工精度が更に良好であることが確認された。
【実施例３】
【００３１】
切断速度（切り込み速度）のみを６ｍｍ／ｈｒと速く設定した以外は実施例１と同様の方法でサファイアインゴットから成る被加工物１を切断した。
【００３２】
そして、実施例１と同様に切断されたサファイアウエハーの厚さバラツキ、反りを測定したところ、最大厚さバラツキは２０μｍ、最大反りは４０μｍで実施例１と較べて加工精度が若干劣っていたが、比較例１よりは加工精度が良好であることが確認された。
【実施例４】
【００３３】
切断速度（切り込み速度）のみを６ｍｍ／ｈｒと速く設定した以外は実施例２と同様の方法でサファイアインゴットから成る被加工物１を切断した。
【００３４】
そして、実施例１と同様に切断されたサファイアウエハーの厚さバラツキ、反りを測定したところ、最大厚さバラツキは１２μｍ、最大反りは２８μｍで実施例２と較べて加工精度が若干劣っていたが、比較例１よりは加工精度が良好であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係るワイヤソーによる切断方法によれば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮといった高硬度材料から成る被加工物を高精度、高効率に切断することができるため、ワイドギャップ半導体デバイス向けの基板の製造に好適に適用される産業上の利用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るワイヤソーによる切断方法を示す説明図。
【符号の説明】
【００３７】
１  被加工物
２  ワイヤ
３  揺動を与える回転往復運動の方向
４  切断方向を示す直線
５  揺動角度
２０  ワイヤ列
４０  切断方向を示す直線
４１  回転ローラＡ、Ｂの各回転軸Ｒ１、Ｒ２を結ぶ直線
Ａ  回転ローラ
Ｂ  回転ローラ
Ｐ  中心軸
Ｑ  揺動中心軸
Ｒ１  回転軸
Ｒ２  回転軸
【図１】
2008229752.tif 000003