特許 7089257 切断方法及び切断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-14

(45)【発行日】2022-06-22

(54)【発明の名称】切断方法及び切断装置

(51)【国際特許分類】

   B24B 27/06 20060101AFI20220615BHJP

   B28D 5/04 20060101ALI20220615BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20220615BHJP

【ＦＩ】

B24B27/06 D

B24B27/06 E

B28D5/04 C

H01L21/304 611W

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020563119

(86)(22)【出願日】2019-12-17

(86)【国際出願番号】 JP2019049487

(87)【国際公開番号】W WO2020137713

(87)【国際公開日】2020-07-02

【審査請求日】2021-03-18

(31)【優先権主張番号】P 2018243799

(32)【優先日】2018-12-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】591108178

【氏名又は名称】秋田県

(74)【代理人】

【識別番号】100142734

【弁理士】

【氏名又は名称】安 裕 希

(72)【発明者】

【氏名】久住 孝幸

(72)【発明者】

【氏名】赤上 陽一

(72)【発明者】

【氏名】越後谷 正見

【審査官】須中 栄治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１１３６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－００９３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／０４８０９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－１５８３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８４６６１５６（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０３０５６７３０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１９８８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１３７１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２１６１２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２４Ｂ３／００－３／６０

Ｂ２４Ｂ２１／００－３９／０６

Ｂ２８Ｄ１／００－７／０４

Ｈ０１Ｌ２１／３０４；２１／４６３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワイヤ工具を用いてワークを切断する切断方法であって、
電気的誘電性を有する砥粒を含むスラリーを、前記ワイヤ工具が前記ワークに切り込む領域に供給する工程（ａ）と、
前記ワイヤ工具と前記ワークとの間の領域に交流電界を発生させる工程（ｂ）と、
前記ワークに対して前記ワイヤ工具を当接させつつ、前記ワイヤ工具が延伸する方向に沿って前記ワイヤ工具を走行させる工程（ｃ）と、
を含み、
前記スラリーは、絶縁性の液体と、該液体に分散された前記砥粒である粒子であって、絶縁物と、半導体と、金属又は合金とのうちの少なくともいずれかからなる粒子と、を含む切断方法。

【請求項2】

ワイヤ工具を用いてワークを切断する切断方法であって、
前記ワイヤ工具は、金属又は合金からなるワイヤと、該ワイヤの表面に形成された絶縁層と、を含み、
電気的誘電性を有する砥粒を含むスラリーを、前記ワイヤ工具が前記ワークに切り込む領域に供給する工程（ａ）と、
前記ワイヤ工具と前記ワークとの間の領域に交流電界を発生させる工程（ｂ）と、
前記ワークに対して前記ワイヤ工具を当接させつつ、前記ワイヤ工具が延伸する方向に沿って前記ワイヤ工具を走行させる工程（ｃ）と、
を含む切断方法。

【請求項3】

前記ワイヤ工具は、金属又は合金からなるワイヤと、該ワイヤの表面に形成された絶縁層とを含む、請求項１に記載の切断方法。

【請求項4】

前記ワイヤ工具は、前記ワイヤ又は前記絶縁層に固定された第２の砥粒をさらに含む、請求項２又は３に記載の切断方法。

【請求項5】

前記交流電界の周波数は、０．１Ｈｚ以上である、請求項１～４のいずれか１項に記載の切断方法。

【請求項6】

工程（ｂ）は、前記ワイヤ工具と前記ワークとの間に交流電圧を印加することを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の切断方法。

【請求項7】

ワイヤ工具を用いてワークを切断する切断装置であって、
所定の張力となるように前記ワイヤ工具を保持するように構成されたワイヤ保持部と、
前記ワイヤ工具が前記ワークに切り込む領域に、砥粒を含むスラリーを供給するように構成されたスラリー供給部と、
前記ワイヤ工具と前記ワークとの間の領域に交流電界を発生させるように構成された電界発生手段と、
前記ワイヤ工具が延伸する方向に沿って該ワイヤ工具を走行させるように構成されたワイヤ走行手段と、
切断工程の間、前記ワークに対して前記ワイヤ工具が当接しているように、前記ワイヤ工具と前記ワークとの少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させるように構成された送り手段と、
を備え、
前記スラリーは、絶縁性の液体と、該液体に分散された前記砥粒である粒子であって、絶縁物と、半導体と、金属又は合金とのうちの少なくともいずれかからなる粒子と、を含む切断装置。

【請求項8】

ワイヤ工具を用いてワークを切断する切断装置であって、
前記ワイヤ工具は、金属又は合金からなるワイヤと、該ワイヤの表面に形成された絶縁層と、を含み、
所定の張力となるように前記ワイヤ工具を保持するように構成されたワイヤ保持部と、
前記ワイヤ工具が前記ワークに切り込む領域に、砥粒を含むスラリーを供給するように構成されたスラリー供給部と、
前記ワイヤ工具と前記ワークとの間の領域に交流電界を発生させるように構成された電界発生手段と、
前記ワイヤ工具が延伸する方向に沿って該ワイヤ工具を走行させるように構成されたワイヤ走行手段と、
切断工程の間、前記ワークに対して前記ワイヤ工具が当接しているように、前記ワイヤ工具と前記ワークとの少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させるように構成された送り手段と、
を備える切断装置。

【請求項9】

前記電界発生手段は、前記ワイヤ工具と前記ワークとの間に交流電圧を印加するように構成された電圧発生装置である、請求項７又は８に記載の切断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体インゴット等の硬脆材料を切断する切断方法及び切断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電気エネルギーの利用効率向上のため、パワーデバイス半導体の性能向上が求められている。そのため、パワーデバイス半導体として多用されているシリコン（Ｓｉ）に対し、よりバンドギャップが広い半導体（ワイドギャップ半導体）材料として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等が注目されている。

【0003】

ところで、半導体インゴットをウェーハ加工する工程には、主に、切断（スライシング）工程、研削工程、ラッピング工程、ポリッシング工程が含まれる。このうち、切断工程については、従来、ワイヤ工具及び砥粒を用いる切断技術が知られている。

【0004】

例えば特許文献１には、所定間隔をおいて配置したローラ間に、ワイヤを巻回させて複数本のワイヤ列を形成し、結晶性インゴットに押し当てた状態で上記ワイヤ列を移動させ、結晶性インゴットを複数枚の半導体ウェーハにスライスする半導体ウェーハの製造方法が開示されている。この特許文献１においては、表面に砥粒が固定されたワイヤを用い、このワイヤに所定の潤滑剤を供給しながらスライスすることとしている。なお、このような切断方式は、固定砥粒方式とも呼ばれる。

【0005】

また、特許文献２には、多数本のワイヤ溝が長さ方向へ離間して形成された少なくとも２本のグルーブローラと、上記多数本のワイヤ溝を介して、グルーブローラ間にワイヤを架け渡すことでワイヤ列を現出し、該ワイヤ列を維持しながらグルーブローラ間で一方向へのみ走行するワイヤとを備える一方向走行式ワイヤソーが開示されている。この特許文献２においては、インゴットが押し付けられるワイヤ列の押し付け位置より上流側の部分に、遊離砥粒を含むスラリーを供給してインゴットを切断することとしている。なお、このような切断方式は、遊離砥粒方式とも呼ばれる。

【0006】

また、特許文献３には、ワイヤ芯線の外周面に砥粒が固着された固定砥粒ワイヤを走行させて、遊離砥粒を含むスラリーを該固定砥粒ワイヤに供給しながらワークを切断するワイヤソー装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１０－７４０５６号公報

【文献】特開２０１２－１４３８４７号公報

【文献】特開２０１３－５２４６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

半導体インゴットをウェーハ加工する工程の総加工時間は、一般に、６０時間以上にも及び、このうち、切断工程は総加工時間の６～７割を占める。特に、炭化ケイ素等のワイドギャップ半導体材料は、機械的・化学的に安定した難加工材料であり、シリコンと比較しても硬度が高いため、切断工程における加工時間も長くなる。そのため、加工品位を低下させることなく、加工時間を短縮することができる切断技術が望まれている。

【0009】

しかしながら、例えば特許文献２に記載されているような遊離砥粒方式の切断方法は、ワークへのダメージが少なく、加工コストが低いという利点はあるものの、切断効率が低い。そのため、炭化ケイ素のような硬度の高いワークの切断にはあまり向いているとは言えない。

【0010】

他方、例えば特許文献１に記載されているような固定砥粒方式の切断方法においては、切断は比較的高速に行えるものの、加工により切断面が変質してしまうため、ワークのダメージが大きい。そのため、後の研磨工程における負荷が大きくなり、トータルではかえって多くの加工時間が必要になってしまう。また、砥粒が固定されたワイヤ工具の価格が高い、ワイヤ工具への砥粒の固定品質がワークの加工品位に影響を及ぼすといった問題もある。

【0011】

さらに、例えば特許文献３に記載されているような、砥粒を含むスラリーを供給しつつ、表面に砥粒が固定されたワイヤ工具を用いて切断を行う方式においては、通常の遊離砥粒方式よりは加工効率を向上できる可能性はあるものの、加工品位については、遊離砥粒方式と比較して低下するおそれがある。

【0012】

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、ワイヤ工具を用いた切断方法において、従来よりも効率良く、且つ、加工品位を低下させることなくワークを切断することができる切断方法及び切断装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明の一態様である切断方法は、ワイヤ工具を用いてワークを切断する切断方法であって、電気的誘電性を有する砥粒を含むスラリーを、前記ワイヤ工具が前記ワークに切り込む領域に供給する工程（ａ）と、前記ワイヤ工具と前記ワークとの間の領域に交流電界を発生させる工程（ｂ）と、前記ワークに対して前記ワイヤ工具を当接させつつ、前記ワイヤ工具が延伸する方向に沿って前記ワイヤ工具を走行させる工程（ｃ）と、を含むものである。

【0014】

上記切断方法において、前記スラリーは、所定範囲の粘性を有する絶縁性の液体と、該液体に分散された粒子であって、絶縁物と半導体と金属又は合金とのうちの少なくともいずれかからなる粒子と、を含んでも良い。
上記切断方法において、前記ワイヤ工具は、金属又は合金からなるワイヤと、該ワイヤの表面に形成された絶縁層と、を含んでも良い。

【0015】

上記切断方法において、前記ワイヤ工具は、前記ワイヤ又は前記絶縁層に固定された第２の砥粒をさらに含んでも良い。
上記切断方法において、前記交流電界の周波数は、０．１Ｈｚ以上であっても良い。
上記切断方法において、工程（ｂ）は、前記ワイヤ工具と前記ワークとの間に交流電圧を印加することを含んでも良い。

【0016】

本発明の別の態様である切断装置は、ワイヤ工具を用いてワークを切断する切断装置であって、所定の張力となるように前記ワイヤ工具を保持するように構成されたワイヤ保持部と、前記ワイヤ工具が前記ワークに切り込む領域に、砥粒を含むスラリーを供給するように構成されたスラリー供給部と、前記ワイヤ工具と前記ワークとの間の領域に交流電界を発生させるように構成された電界発生手段と、前記ワイヤ工具が延伸する方向に沿って該ワイヤ工具を走行させるように構成されたワイヤ走行手段と、切断工程の間、前記ワークに対して前記ワイヤ工具が当接しているように、前記ワイヤ工具と前記ワークとの少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させるように構成された送り手段と、を備えるものである。

【0017】

上記切断装置において、前記電界発生手段は、前記ワイヤ工具と前記ワークとの間に交流電圧を印加するように構成された電圧発生装置であっても良い。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、ワイヤ工具とワークとの間の領域に交流電界を発生させるので、供給されたスラリーに含まれる砥粒が、ワイヤ工具とワークとの間の領域に集まり、且つ、該領域において、砥粒は偏って凝集することなく、ほぼ均一に配置される。そのため、ワイヤ工具近傍に十分に砥粒が配置された状態を維持しながら、ワイヤ工具をスムースに走行させることができる。従って、ワイヤ工具を用いた切断方法において、従来よりも効率良く、且つ、加工品位を低下させることなくワークを切断することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係る切断方法を示すフローチャートである。

【図2】本発明の実施形態に係る切断装置の概略構成を例示する模式図である。

【図3】本発明の実施形態に係る切断方法の原理を説明するための模式図である。

【図4】ワイヤ工具近傍の砥粒の挙動（電界を発生させない状態）を示す画像である。

【図5】ワイヤ工具近傍の砥粒の挙動（電界を発生させた状態）を示す画像である。

【図6】実験１の結果を示すグラフである。

【図7】実験２の結果を示すグラフである。

【図8】実験３の結果を示すグラフである。

【図9】実験４の結果を示すグラフである。

【図10】実験５の結果を示すグラフである。

【図11】実験５の結果を正規化したグラフである。

【図12】実験６の結果を示すグラフである。

【図13】実験７の結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施の形態に係る切断方法及び切断装置について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、各図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

【0021】

以下の説明において参照する図面は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示しているに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0022】

図１は、本発明の実施形態に係る切断方法を示すフローチャートである。図２は、本発明の実施形態に係る切断装置の概略構成を例示する模式図である。図３は、本発明の実施形態に係る切断方法の原理を説明するための模式図である。

【0023】

本実施形態に係る切断方法は、ワイヤ工具及び砥粒を含むスラリーを用いてワークを切断する方法であって、ワイヤ工具とワークとの間の領域に交流電界を発生させた状態で切断を行うものである。本実施形態において切断可能なワークは、ワイヤ工具及びスラリーを用いた一般的な切断方法で切断できるワークであれば、特に限定されない。具体例として、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等の半導体に加え、ガラス、サファイア、セラミックスといった硬脆材料、磁性材料、金属や合金等が挙げられる。図１に示す各工程の詳細については後述する。

【0024】

図２に示す切断装置１は、ワーク１０を保持するワーク保持部１１と、該ワーク保持部１１が固定された昇降ステージ１２と、昇降ステージ１２を昇降させるステージ昇降機１３と、所定の張力となるようにワイヤ工具２０を保持するワイヤ保持部２１と、ワイヤ保持部２１を振動させる振動発生装置２５と、砥粒を含むスラリー３０をワイヤ工具２０がワーク１０に切り込む領域に供給するスラリー供給部３３と、ワイヤ工具２０とワーク１０との間に電圧を印加する電圧発生装置４０と、を備える。また、切断装置１は、これらの各部の動作を制御する制御装置５０をさらに備えても良い。以下においては、ワイヤ工具２０が延伸する方向をｘ方向、切断工程においてワーク１０を送る方向（鉛直方向）をｚ方向（上向きを正）とする。

【0025】

ワーク保持部１１は例えば金属又は合金製の板材であり、昇降ステージ１２にボルト等により締結されている。本実施形態において、ワーク１０は、導電性の接着剤によりワーク保持部１１に固定されている。もっとも、ワーク保持部１１の構成及びワーク１０の固定方法はこれに限定されない。一例として、ワーク１０の外周面を四方から囲むことによりワーク１０を機械的に保持しても良い。また、ワーク保持部１１に切削動力計を設け、この切削動力計の出力値に基づいて、ワーク１０の送り速度（即ち、昇降ステージ１２のｚ方向における移動速度）を調節しても良い。

【0026】

昇降ステージ１２には、該昇降ステージ１２をｚ方向に沿って昇降させる電動式のステージ昇降機１３が接続されている。昇降ステージ１２及びステージ昇降機１３は、切断工程の間、ワーク１０に対してワイヤ工具２０が当接しているように、ワーク１０をｚ方向に移動させる送り手段である。本実施形態において、ステージ昇降機１３は、制御装置５０の制御の下で昇降ステージ１２を所定の速度で上昇させる。また、昇降ステージ１２に、ｘｙ平面における位置合わせを行う位置決め機構を設けても良い。

【0027】

ワイヤ工具２０は、スチール等の金属又は合金製のワイヤ（ピアノ線）の表面を絶縁層で被覆したワイヤソーである。ここで、表面が絶縁層で被覆されたワイヤを用いるのは、ワーク及びスラリーとワイヤとを絶縁するためである。絶縁層は、例えば、ワイヤの芯線を樹脂等の絶縁性材料でコーティングしたり、芯線の表面に酸化被膜などの不導体被膜を形成したりすることにより設けることができる。また、ワイヤ工具２０として、ワイヤ表面又は絶縁層に砥粒が固定された、所謂固定砥粒ワイヤを用いることも可能である。

【0028】

ワイヤ保持部２１は、一例として、所定の間隔で互いに対向して配置され、ワイヤ工具２０を保持する２つの支柱２２と、これらの支柱２２を連結する支柱連結部２３とを含む。また、ワイヤ工具２０の一端側には、ワイヤ工具２０の張力を調整するワイヤ張力調整部２４が設けられている。

【0029】

ワイヤ保持部２１には、ワイヤ工具２０及びこれを保持するワイヤ保持部２１全体をｘ方向に沿って振動させる振動発生装置２５が接続されている。振動発生装置２５は、ワイヤ工具２０が延伸する方向に該ワイヤ工具２０を走行させるワイヤ走行手段である。本実施形態においては、振動発生装置２５によって、ワイヤ工具２０をｘ方向において小刻みに往復させることにより、ワーク１０を切断する。

【0030】

スラリー供給部３３は、例えば先端に開口が設けられた管であり、スラリータンクから供給されるスラリー３０を、ワイヤ工具２０がワーク１０に切り込む領域に吐出する。

【0031】

電圧発生装置４０は、ワイヤ工具２０とワーク１０との間の領域に交流電界を発生させる電界発生手段である。図２においては、一方（図の左側）の支柱２２及びワーク保持部１１を介して、ワイヤ工具２０（厳密には、絶縁層の内側の芯線）とワーク１０との間に電圧を印加することとしているが、ワーク１０が導電性を有する場合には、ワイヤ工具２０及びワーク１０に直接電圧を印加しても良い。

【0032】

制御装置５０は、例えば汎用のコンピュータにより構成され、ワイヤ張力調整部２４、振動発生装置２５、ステージ昇降機１３、及び電圧発生装置４０の動作をモニタ及び制御する。制御装置５０は、各部の動作のモニタ結果（例えば、ワイヤ工具２０の張力）を表示する表示部や、各種命令や設定値を入力するための操作入力手段を備えても良い。

【0033】

もっとも、本実施形態に係る切断方法を適用可能な切断装置の構成は、図２に示す構成に限定されない。例えば、ワイヤ保持部として、所定間隔を置いて配置したローラ間にワイヤ工具を巻回させて複数本のワイヤ列を形成する機構（例えば、特開２０１０－７４０５６号公報、特開２０１２－１４３８４７号公報、特開２０１３－５２４６３号公報等参照）を採用してもよい。この場合、複数枚のスライスを同時に取得することができる。

【0034】

また、ワイヤ走行手段として、ローラ間にワイヤ工具を巻回させて複数本のワイヤ列を形成する機構において、ローラを一方向に回転させることにより、ワイヤ工具を一方向に走行させる機構を採用しても良い。或いは、一方向にローラを回転させた後、ローラを逆回転させることにより、ワイヤ工具を往復走行させても良い。

【0035】

また、ワーク保持部１１及び昇降ステージ１２の配置についても、図２に示す配置に限定されない。例えば、ワーク保持部をワイヤ工具の上側（図２の＋ｚ側）に配置して、ワークを上方から保持することとし、ワーク保持部を下方（図２の－ｚ方向）に向けて送ることにより、ワークを切断しても良い。

【0036】

さらに、図２に示す構成においては、ワイヤ工具２０の位置を固定し、ワーク１０側をワイヤ工具２０に向けて送ることとしたが、ワーク１０の位置を固定し、ワイヤ工具２０側をワークに向けて送っても良い。或いは、ワーク１０及びワイヤ工具２０の双方を互いに反対方向に移動させても良い。

【0037】

次に、本実施形態において用いられるスラリー３０について説明する。図３に示すように、スラリー３０は、所定範囲の粘度を有する分散媒３１に砥粒３２を分散させたものである。分散媒３１としては、水（純水）やシリコンオイル（例えば、２０℃において粘度１～１０００ｃＳｔ）等の絶縁性の液体が用いられる。

【0038】

砥粒３２としては、ワーク１０の硬度以上の硬度を有する粒子、或いは、ワークとの間でメカノケミカル作用を生じる粒子であって、電気的誘電性を有する絶縁物と、半導体と、金属又は合金とのうちの少なくともいずれかからなる粒子が用いられる。砥粒３２の誘電率は、上記分散媒３１の誘電率よりも高いことが好ましい。また、砥粒３２の径は、ワイヤ工具２０の径や加工幅等に応じて、適宜設定すれば良い。

【0039】

砥粒３２の材料として、具体的には、ワーク１０の材料との関係から、ダイヤモンド、コランダム、エメリー、ザクロ石、珪石、焼成ドロマイト、溶融アルミナ、人造エメリー、炭化珪素、酸化ジルコニウム、立方晶系窒化ホウ素ｃＢＮ、酸化クロム、酸化珪素、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、炭化マグネシウム、炭酸バリウム等より適宜選択することができる。或いは、複数種類の材料からなる砥粒を用いても良い。例えば、砥粒の中心部分（コア部分）を、該コア部分の材料とは異なる材料で被覆した複合材の砥粒を用いることができる。この場合、被覆する側（シェル部分）の材料としては、ワーク１０に対する切断レートがコア部分の材料よりも高い材料が用いられる。具体的には、コア部分の材料として、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）等のチタン金属複合酸化物が挙げられる。また、シェル部分の材料としては、例えば、金属酸化物、炭化物、窒化物、硼化物、ダイヤモンドが用いられる。具体的には、酸化鉄、酸化マンガン、二酸化ケイ素（シリカ、ＳｉＯ₂）、酸化セリウム（セリア）、ダイヤモンド（Ｃ）、酸化アルミニウム（アルミナ、Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（チタニア、ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ジルコニア、ＺｒＯ₂）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等が挙げられる。

【0040】

スラリー３０を調製する際には、分散媒３１に砥粒３２を混合し、超音波分散機等を用いて、砥粒３２が凝集しないように均一に分散させる。

【0041】

次に、本実施形態に係る切断方法を説明する。
まず、工程Ｓ１０において、加工対象であるワーク１０を切断装置１にセットする。即ち、導電性接着剤を用いるなどしてワーク１０をワーク保持部１１に固定し、さらに、ワーク保持部１１を昇降ステージ１２に締結する。そして、昇降ステージ１２の位置及び高さを調整し、ワーク１０の切断箇所をワイヤ工具２０近傍に配置する。

【0042】

続く工程Ｓ１１において、ワーク１０の切断箇所に向けて、砥粒３２を含むスラリー３０の供給を開始する。また、工程Ｓ１２において、ワーク１０とワイヤ工具２０との間に交流電圧を印加することにより、ワーク１０とワイヤ工具２０との間の領域に交流電界を発生させる。印加する交流電圧の振幅、周波数、波形等の条件は、ワーク１０及びワイヤ工具２０の材料、並びに、スラリー３０の材料及び砥粒の径といった各種条件に応じて適宜設定される。

【0043】

続く工程Ｓ１３において、ワイヤ工具２０を走行させ、ワーク１０の切断を開始する。ワーク１０の送り速度（昇降ステージ１２の移動速度）については、ワーク１０及びワイヤ工具２０の材料、ワイヤ工具２０の走行速度（振動発生装置２５により振動させる場合には周期）、加工幅等の各種条件に応じて適宜設定される。

【0044】

その後、設定された範囲の切断が終了すると、ワイヤ工具２０の走行を停止させ（工程Ｓ１４）、さらに、スラリー３０の供給を停止する（工程Ｓ１５）。それにより、一連のワーク１０の切断工程が終了する。

【0045】

このように、ワイヤ工具２０がワーク１０に切り込む領域にスラリー３０を供給しつつ交流電界を発生させると、スラリー３０内の砥粒３２が誘電泳動により、ワイヤ工具２０とワーク１０との間の領域に集まる（図３参照）。この際、スラリー３０には交流電界が印加されているので、砥粒３２は、該領域において偏って凝集することなく、概ね均一に配置される。そのため、ワイヤ工具２０の周囲に十分な砥粒３２が存在する状態を維持しながら、ワイヤ工具２０をスムースに走行させることができ、良好な加工効率で切断を進めることができる。

【0046】

このとき、砥粒３２は、ワイヤ工具２０の周囲に集まりつつも、流動しているので、一般的な固定砥粒方式の切断方法のように、ワーク１０の切断面にダメージを与えることはない。つまり、少なくとも一般的な遊離砥粒方式の切断方法と同程度又はそれ以上の加工品位で切断を行うことができる。

【0047】

なお、印加する電圧の周波数が０.１Ｈｚ未満の場合、スラリー３０の流体としての流動性が低下したり、砥粒３２が凝集したりする可能性がある。また、印加する電圧を直流とする場合、砥粒３２がワイヤ工具２０とワーク１０とのいずれかの側に凝集してしまうおそれがあると共に、砥粒の転動性の低下を招くおそれもある。

【0048】

（原理実験）
砥粒を含むスラリーにワイヤ工具を浸した状態でワイヤ工具に交流電圧を印加することにより、ワイヤ工具近傍に交流電界を発生させ、砥粒の挙動を観察する実験を行った。実験条件は以下のとおりである。
スラリー
分散媒 ：１０ｃＳｔのジメチルシリコーンオイル
砥粒 ：粒径２０～３０μｍのダイヤモンド砥粒
ワイヤ工具 ：直径１５０μｍの樹脂コートスチールワイヤ
ワーク ：スライドガラス
ワーク側電極：アルミプレート
印加電圧 ：±２ｋＶ、６Ｈｚの矩形波

【0049】

実験方法は次のとおりである。即ち、水平に設置したアルミプレート上にスライドガラスを載置し、このスライドガラス上にワイヤ工具を水平に配置した。スライドガラスの主面にスラリーを滴下しながら、アルミプレートとワイヤ工具との間に交流電圧を印加することにより交流電界を形成した。この状態で、スライドガラスの上方に設置した顕微鏡及びカメラにより、ワイヤ工具の表面近傍を拡大して撮像を行うことにより画像を取得した。図４及び図５は、ワイヤ工具近傍の砥粒の挙動を示す画像である。このうち、図４は、電界を発生させない状態を示し、図５は、電界を発生させた状態を示す。

【0050】

図４に示すように、電界を発生させない状態では、ダイヤ砥粒がスラリー全体にわたって分散している。これに対し、図５に示すように、電界を発生させた状態では、ダイヤ砥粒がワイヤ近傍に集まっており、集まった領域においては、ダイヤ砥粒が偏って凝集することなく、ほぼ均一に配置されている。

【0051】

（切断実験）
本実施形態に係る切断方法によりワークを切断する実験１～４を行い、加工効率及び加工品位を評価した。各実験における実験条件は、以下のとおりである。

【0052】

実験１
スラリー
分散媒 ：１０ｃＳｔのジメチルシリコーンオイル
砥粒 ：粒径２～４μｍのダイヤモンド砥粒
砥粒濃度：１ｗｔ％
滴下速度：５０μＬ／ｍｉｎ
ワイヤ工具：直径１６０μｍの樹脂コートスチールワイヤ
印加電圧
振幅 ：±０．５ｋＶ
周波数 ：０Ｖ（電圧印加なし）、３Ｈｚ、６Ｈｚ、１５Ｈｚ、
３０Ｈｚ
波形 ：矩形波

【0053】

実験２
スラリー
分散媒 ：１０ｃＳｔのジメチルシリコーンオイル
砥粒 ：粒径５～１０μｍのダイヤモンド砥粒
砥粒濃度：１ｗｔ％
滴下速度：５０μＬ／ｍｉｎ
ワイヤ工具：直径１６０μｍの樹脂コートスチールワイヤ
印加電圧
振幅 ：±０．５ｋＶ
周波数 ：０Ｖ（電圧印加なし）、３Ｈｚ、６Ｈｚ、１５Ｈｚ、
３０Ｈｚ
波形 ：矩形波

【0054】

実験３
スラリー
分散媒 ：１０ｃＳｔのジメチルシリコーンオイル
砥粒 ：粒径５～１０μｍのダイヤモンド砥粒
砥粒濃度：１ｗｔ％
滴下速度：５０μＬ／ｍｉｎ
ワイヤ工具：直径１６０μｍの樹脂コートスチールワイヤ
印加電圧
振幅 ：±１．０ｋＶ
周波数 ：０Ｖ（電圧印加なし）、３Ｈｚ、６Ｈｚ、１５Ｈｚ、
３０Ｈｚ
波形 ：矩形波

【0055】

実験４
スラリー
分散媒 ：１０ｃＳｔのジメチルシリコーンオイル
砥粒 ：粒径２～４μｍのダイヤモンド砥粒
砥粒濃度：１ｗｔ％
滴下速度：３０μＬ／ｍｉｎ
ワイヤ工具：直径１２０μｍの芯線に樹脂コートした直径１５０μｍのワイヤに粒径１２～２５μｍのダイヤモンド砥粒を固定した固定砥粒ワイヤ
印加電圧
振幅 ：±０．５ｋＶ
周波数 ：０Ｖ（電圧印加なし）、３Ｈｚ、６Ｈｚ、３０Ｈｚ
波形 ：矩形波

【0056】

また、実験１～４において共通の実験条件は、以下のとおりである。
ワイヤ工具の張力：８Ｎ
ワイヤ工具の線速：２．５２ｍ／ｍｉｎ
ワーク ：直径１０ｍｍの円柱状のシリコンインゴット
ワークの送り速度：２３μｍ／ｍｉｎ
加工時間 ：１０分間

【0057】

実験１～４において、加工効率の評価は、１０分間加工を行ったときのワークへの切断深さ（ワークに形成された溝の深さ）を測定することにより行った。また、加工品位の評価は、切断部（溝の内面）の粗さＲａを測定することにより行った。ここで、溝の内面の粗さは、切断面の品位を直接的に表すものとはいえないが、ワークに対するワイヤ工具の動きのスムースさを表す指標となり得る。例えば、溝の内面が粗い場合、切断時のよれ等に起因するソーマークが発生し、切断面の品位が低下するものと考えられる。

【0058】

図６は実験１の結果を示すグラフであり、図７は実験２の結果を示すグラフであり、図８は実験３の結果を示すグラフであり、図９は実験４の結果を示すグラフである。実験１～４において、棒グラフはワークへの切断深さ（Ｓｌｉｃｉｎｇ ｄｅｐｔｈ,μｍ））を示し、プロットされた点は切断部の粗さ（Ｒｏｕｇｎｅｓｓ（Ｒａ，μｍ））を示す。

【0059】

図６～図９に示すように、いずれの実験においても、ほとんどの場合、電界を発生させることにより切断深さが増加している。例えば、周波数を６Ｈｚとした場合、電界を発生させない場合（周波数０Ｈｚ）と比較して、実験１においては約８６％（図６参照）、実験２においては約１１０％（図７参照）、実験３においては約７９％（図８参照）、実験４においては約４２％（図９参照）、切断深さが増加している。これより、電界を発生させることにより、加工効率が向上することが確認された。

【0060】

加工効率の周波数依存性について考察すると、ほとんどの場合、周波数が３Ｈｚ以上になると、切断深さが有意に増加することがわかる。上記実験条件の下では、いずれにおいても、特に、６Ｈｚ近傍において、切断深さが最も大きい。他方、周波数が３０Ｈｚを超えると、切断深さが減少している。これより、実験１～４の条件の下で加工効率を向上させるためには、交流電界の周波数を、好ましくは３Ｈｚ以上３０Ｈｚ以下、より好ましくは３Ｈｚよりも大きく、１５Ｈｚ未満にすると良く、さらに好ましくは６Ｈｚ近傍にすると良いことがわかる。

【0061】

スラリーに分散させる砥粒の粒径について考察すると、実験１（粒径２～４μｍ、図６参照）においては周波数が６Ｈｚのときに切断深さが８６％増加したのに対し、実験２（粒径５～１０μ、図７参照）においては、周波数が６Ｈｚのときに切断深さが１１０％増加している。これより、実験１、２の条件の下では、砥粒の粒径が大きい場合に、一層の加工効率の向上効果を得ることができると言える。

【0062】

加工効率の電圧依存性について考察すると、実験２（電圧±０．５ｋＶ、図７参照）においては周波数が６Ｈｚのときに切断深さが１１０％増加したのに対し、実験３（電圧±１．０ｋＶ、図８参照）においては、周波数が６Ｈｚのときに切断深さが７９％増加している。これより、加工効率の向上のために、高電圧が必ずしも有利というわけではないことがわかった。

【0063】

加工品位については、遊離砥粒のみを用いた実験１～３（図６～図８参照）では、電界を発生させた場合、電界を発生させない場合と比較して切断部の粗さＲａの有意な変動は見られなかった。これより、遊離砥粒を用いて切断を行う場合、加工品位の低下を招くことはなく、加工効率を向上させることができることが確認された。他方、遊離砥粒及び固定砥粒を用いた実験４（図９参照）では、電界を発生させた場合、切断部の粗さＲａは電界を発生させない場合と比較して減少しており、粗さが向上していることがわかる。つまり、固定砥粒ワイヤを用いる場合には、電界を発生させることにより、加工効率を向上させるだけでなく、加工品位を向上させることもできることが確認された。

【0064】

（切断効率の粒径依存性）
本実施形態に係る切断方法において、スラリーに含まれる砥粒の径を変化させてワークを切断する実験５を行い、切断効率の粒径依存性を評価した。実験条件は以下のとおりである。

【0065】

実験５
スラリー
分散媒 ：１０ｃＳｔのジメチルシリコーンオイル
砥粒 ：ダイヤモンド砥粒
粒径 ：２～３μｍ、５～１０μｍ、２０～３０μｍの３種類
砥粒濃度：１ｗｔ％
滴下速度：５０μＬ／ｍｉｎ
ワイヤ工具：直径１２０μｍの樹脂コートスチールワイヤ
張力 ：８Ｎ
線速 ：２．５２ｍ／ｍｉｎ
ワーク ：直径１０ｍｍの円柱状のシリコンインゴット
送り速度：２３μｍ／ｍｉｎ
加工時間 ：１０分間
印加電圧
振幅 ：±０．５ｋＶ
周波数 ：０Ｖ（電圧印加なし）～３０Ｈｚ
波形 ：矩形波

【0066】

図１０は、実験５の結果を示すグラフである。図１１は、実験５の結果を、粒径ごとに、電圧を印加しないときの切断深さを基準に正規化したグラフである。図１０及び図１１に示すように、ほとんどの場合、粒径によらず、電界を発生させることにより切断深さが増加していることがわかる。特に、小粒径（２～３μｍ）及び中粒径（５～１０μｍ）の場合には、電界の周波数によらず、切断深さは、電界を発生させない場合と比較して１．５倍以上増加している。また、電界の周波数が小さい（例えば６Ｈｚ以下）場合には、粒径が小さいほど、切断効率の向上効果が顕著になる傾向があると言える。

【0067】

（切断効率の分散媒粘度依存性）
本実施形態に係る切断方法において、スラリーに含まれる分散媒の粘度を変化させてワークを切断する実験６を行い、切断効率の分散媒粘度依存性を評価した。実験条件は以下のとおりである。

【0068】

実験６
スラリー
分散媒 ：ジメチルシリコーンオイル
粘度 ：１０ｃＳｔ、５０ｃＳｔ、１００ｃＳｔの３種類
砥粒 ：粒径５～１０μｍのダイヤモンド砥粒
砥粒濃度：１ｗｔ％
滴下速度：５０μＬ／ｍｉｎ
ワイヤ工具：直径１２０μｍの樹脂コートスチールワイヤ
張力 ：８Ｎ
線速 ：２．５２ｍ／ｍｉｎ
ワーク ：直径１０ｍｍの円柱状のシリコンインゴット
送り速度：２３μｍ／ｍｉｎ
加工時間 ：１０分間
印加電圧
振幅 ：±１．０ｋＶ
周波数 ：０Ｖ（電圧印加なし）、６Ｈｚ
波形 ：矩形波

【0069】

図１２は、実験６の結果を示すグラフである。図１２に示すように、分散媒の粘度が１０～１００ｃＳｔの範囲では、粘度によって程度の差はあるものの、いずれの場合においても、電界を発生させることにより切断深さが増加しており、切断効率の向上効果が得られることがわかった。

【0070】

（切断効率の電界周波数依存性）
本実施形態に係る切断方法において、電界の周波数を変化させてワークを切断する実験７を行い、切断効率の電界周波数依存性を評価した。実験条件は以下のとおりである。

【0071】

実験７
スラリー
分散媒 ：１０ｃＳｔのジメチルシリコーンオイル
砥粒 ：粒径５～１０μｍのダイヤモンド砥粒
砥粒濃度：１ｗｔ％
滴下速度：５０μＬ／ｍｉｎ
ワイヤ工具：直径１２０μｍの樹脂コートスチールワイヤ
張力 ：８Ｎ
線速 ：２．５２ｍ／ｍｉｎ
ワーク ：直径１０ｍｍの円柱状のシリコンインゴット
送り速度：２３μｍ／ｍｉｎ
加工時間 ：１０分間
印加電圧 ：０Ｖ（電圧印加なし）、直流、交流
振幅 ：±０．５ｋＶ
周波数 ：０．１～３００Ｈｚ
波形 ：矩形波

【0072】

図１３は、実験７の結果を示すグラフであり、直流及び交流の各周波数における切断深さを、電圧０Ｖにおける切断深さを基準に正規化したものである。図１３に示すように、直流電界を発生させた場合、切断効率は電界を発生させない場合と比較して若干向上している。しかしながら、交流電界を発生させた場合には、切断効率はさらに向上している。例えば周波数が０．１Ｈｚの場合、切断効率は電界を発生させない場合に対して３０％程度改善されている。また、周波数が０．５Ｈｚ以上になると、切断効率は電界を発生させない場合に対して４０％以上改善されている。中でも、周波数が１．５Ｈｚ以上の場合、若干のばらつきはあるものの、切断効率が顕著に改善されていることがわかる。また、上記実験条件の下では、特に、周波数１．５Ｈｚ近傍において、良好な切断効率が得られている。

【0073】

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、従来よりも効率良く、且つ、加工品位を低下させることなく、ワークを切断することができる。従って、例えば炭化ケイ素のように硬度が高いワイドギャップ半導体材料を加工する場合であっても、良好な品位のスライスを効率良く作製することが可能となる。

【0074】

以上説明した本発明は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではなく、上記実施形態及び変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成することができる。例えば、上記実施形態及び変形例に示した全構成要素からいくつかの構成要素を除外して形成しても良いし、上記実施形態及び変形例に示した構成要素を適宜組み合わせて形成しても良い。

【符号の説明】

【0075】

１…切断装置，１０…ワーク，１１…ワーク保持部，１２…昇降ステージ，１３…ステージ昇降機，２０…ワイヤ工具，２１…ワイヤ保持部，２２…支柱，２３…支柱連結部，２４…ワイヤ張力調整部，２５…振動発生装置，３０…スラリー，３１…分散媒，３２…砥粒，３３…スラリー供給部，４０…電圧発生装置，５０…制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】