JP2010105061A - ワイヤソー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定砥粒ワイヤを用いた場合でも、ワイヤが破断することを防止して、固定砥粒方式の本来の加工能力の高さと高速切断処理を確実に実現できるワイヤソー装置を提供する。
【解決手段】押し付けられた被加工物１１を切断加工するための往復走行可能なワイヤ２を有し、ワイヤ２に予め砥粒が固着されたワイヤソー装置１において、ワイヤ２の往復走行中、ワイヤ２の張力を調整するための張力調整手段６と、張力調整手段６を介してワイヤ２の張力を制御する一方、ワイヤ２の走行速度を制御する制御装置１２とを備え、制御装置１２は、ワイヤ２の張力をワイヤ２の破断強度の５０％以上となる設定値に対してプラスマイナス２．５N以下に制御しながら、一方向の定常走行から他方向の定常走行へと前記ワイヤ２の走行反転を実施する際、ワイヤ２の加減速度を３６０００m／ｍｉｎ^２以上に制御するか、又は、前記走行反転に要する時間を３秒以下に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物を砥粒が固着されたワイヤの往復動作により薄板状に切断するためのワイヤソー装置に関する。

シリコン等の半導体結晶材料や、水晶等の硬脆性材料からウェーハ状の薄板を製造する手段として、遊離砥粒方式の加工方法が知られている（例えば特許文献１参照）。この加工方法は、所定のピッチでワイヤが巻きつけられた溝付きのローラを回転駆動してワイヤを往復走行させ、この走行するワイヤにスラリーを供給して付着させつつ、被加工物を走行するワイヤに対して押し付けて切断加工するものである。スラリーは、研磨剤を油性又は水性の分散媒に混合して形成されている。

これに対し、近年では高速切断による生産性の向上、作業環境の改善、及び廃棄物の低減を目的として、ワイヤに研磨剤を固着させた固定砥粒ワイヤを用いた固定砥粒方式の加工方法が注目されている（例えば特許文献２参照）。この加工方法は、研磨剤を分散させない加工液のみを冷却のために供給して、被加工物を切断加工するものである。ワイヤへの研磨剤の固着方法としては、電着による固定と樹脂による固定がある。

固定砥粒ワイヤは、切れ刃となる砥粒がワイヤに固着されているため遊離砥粒に対し、加工能力が高い反面その径方向のねじれに対しては弱いという特徴を持つ。
これを防止するため、従来のワイヤソー装置で固定砥粒ワイヤを使用するときは、ワイヤに張力変動を与えないようにワイヤの加減速時間を長くしていた。あるいは、ワイヤのねじれが蓄積しないように、往復するワイヤのストロークを数ｋｍ〜数十ｋｍと長くした低サイクルでの使用を一般的に行っていた。

しかしながら、固定砥粒ワイヤを用いた固定砥粒方式は加工能力が高く高速で切断することが特徴であるものの、上記のようにワイヤの加減速時間を長くしてしまうと、速度が低下している時間が長くなり、加減速時間での切断加工能力は低い。また、このワイヤ速度の低下に合わせて被加工物の送り速度も低下させる必要があるため、加減速時間での切断加工能力はさらに悪化する。

また、上記のように往復するワイヤのストロークを長くして被加工物の切断に要求される往復サイクル数を少なくした場合は、ワイヤの走行方向によって、切断されたウェーハの表面状態が異なり、縞模様（ソーマーク）が発生する。これらソーマークは、見た目だけではなく、それぞれのウェーハの表面粗さを異なるものにし、表面に微小なうねりや凹凸を発生させるため、ウェーハの品質を悪化させる。
特開２００６−２９７８４７号公報 特開２００１−５４８５０号公報

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、固定砥粒ワイヤを用いた場合でも、ワイヤが破断することを防止して、固定砥粒方式の本来の加工能力の高さと高速切断処理を確実に実現できるワイヤソー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明では、押し付けられた被加工物を切断加工するための往復走行可能なワイヤを有し、該ワイヤに予め砥粒が固着されたワイヤソー装置において、前記ワイヤの往復走行中、前記ワイヤの張力を調整するための張力調整手段と、該張力調整手段を介して前記ワイヤの張力を制御する一方、前記ワイヤの走行速度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ワイヤの張力を前記ワイヤの破断強度の５０％以上となる設定値に対してプラスマイナス２．５N以下に制御しながら、一方向の定常走行から他方向の定常走行へと前記ワイヤの走行反転を実施する際、前記ワイヤの加減速度を３６０００m／ｍｉｎ^２以上に制御するか、又は、前記走行反転に要する時間を３秒以下に制御することを特徴とするワイヤソー装置を提供する。

請求項２の発明では、請求項１に記載のワイヤソー装置において、前記制御装置は、前記ワイヤを１分間に３往復以上且つ２０往復以下で往復走行させるとともに、１往復あたりの前記ワイヤの走行長さを３００ｍ以下に制御することを特徴としている。
請求項３の発明では、請求項１又は２に記載のワイヤソー装置において、前記制御装置は、前記ワイヤの定常走行時の最高速度を４００ｍ／ｍｉｎ以上であって、９５０ｍ／ｍｉｎ以下に制御することを特徴としている。

請求項４の発明では、請求項１乃至３に記載のワイヤソー装置において、前記制御装置は、往動方向でのワイヤの走行長と、復動方向でのワイヤの走行長の差を４ｍ以下に制御することを特徴としている。

請求項１の発明では、制御装置により、張力調整手段を介してワイヤの張力をワイヤの破断強度の５０％以上にして、その設定値に対してプラスマイナス２．５N以下の張力変動で前記ワイヤを往復走行させることにより、往復走行する際のワイヤの加減速時の加減速度を３６０００m／ｍｉｎ^２以上にするか、又は、往復走行時にワイヤが最高速度から減速し、走行方向を反転して加速し、再び最高速度に達するときの減速開始から加速終了までの時間を３秒以下にすることが可能となる。したがって、可能な限り高い張力でワイヤを張り、さらに張力変動を抑えてワイヤを往復動作させることができ、結果としてワイヤの高速走行が可能になる。このため、固定砥粒方式の本来の高速切断加工を確実に実現できる。また、ワイヤの高速化と、ワイヤ往復時の加減速度の高速化に伴って、ワイヤのストロークを短くして往復サイクルを多くしても、被加工物の表面粗さを均一化し、微小なうねりや凹凸の発生を抑えることができ、ソーマークを目立たなくさせることができる。これにより、被加工物の切断加工精度をさらに安定化あるいは高精度化することができる。

請求項２の発明では、制御装置により、ワイヤを１分間に３往復以上２０往復以下で往復走行させることができ、かつ、１往復あたりのワイヤの長さを３００ｍ以下に制御できるので、ワイヤのストローク長を短くして高速で往復させることが可能となる。これにより、固定砥粒方式の本来の高速切断加工を確実に実現できる。また、ワイヤの高速化と、ワイヤ往復時の加減速度の高速化に伴って、ワイヤのストロークを短くして往復サイクルを多くしても、被加工物の表面粗さを均一化し、微小なうねりや凹凸の発生を抑えることができ、ソーマークを目立たなくさせることができる。これにより、被加工物の切断加工精度をさらに安定化あるいは高精度化することができる。

請求項３の発明では、制御装置により、ワイヤの最高速度を４００ｍ／ｍｉｎ以上であって、９５０ｍ／ｍｉｎ以下に制御可能であるため、固定砥粒ワイヤの高い加工能力を発揮できる速度で往復動作させることができる。
請求項４の発明では、制御装置により、往復走行時の往動方向でのワイヤ走行長と、復動方向でのワイヤ走行長との差を４ｍ以下に制御可能であるため、供給する新線を少なくすることができ、固定砥粒ワイヤの使用量を抑えてランニングコストを低減させ、低コスト化を図ることができる。

図１及び図２は本発明に係るワイヤソー装置を概略的に示す。
図示したように、本発明に係るワイヤソー装置１は、ワイヤ２と、ワイヤ２が巻回された一対のボビン部３と、ワイヤ２を螺旋状に巻回するための複数本（図では２本）の溝ローラ４ａ，４ｂと、これら溝ローラ部４とボビン部３の間のワイヤをガイドするための複数個のガイドローラ５とを備えている。なお、溝ローラ４ａ，４ｂは水平方向に離間して互いに平行に配置されている。

ワイヤ２は、その径が０．１３ｍｍ以下の固定砥粒ワイヤであり、その表面には研磨剤が予め電着固定されている。一対のボビン部３は、送り用ボビン３ａと受け用ボビン３ｂとからなる。送り用ボビン３ａから送り出されたワイヤ２は、溝ローラ４ａ，４ｂ間に螺旋状をなして繰返し巻き掛けられ、加工部ワイヤ列２ａを形成した後、受け用ボビン３ｂに巻き取られている。

送り用ボビン３ａと溝ローラ４ａとの間、また、溝ローラ４ｂと受け用ボビン３ｂとの間には前述のガイドローラ５に加えて、張力（テンション）調整用ローラ６がそれぞれ備えられており、これら張力調整用ローラ６によりワイヤ２のテンションが調整可能となっている。具体的には、張力調整用ローラ６はその基端を中心に回動可能なアーム１３の先端に取付けられ、このアーム１３は予めその回動角度に応じて規定のテンションをワイヤに生じるように付勢されている。また、アーム１３の基端には角度検出器７が備えられており、この角度検出器７はアーム１３の回動角位置、つまり、ワイヤ２のテンションを示す信号として出力する。

一方、送り用ボビン３ａ、受け用ボビン３ｂ、及び複数の溝ローラのうち少なくとも１つ（図では４ａ）には、それぞれボビン用モータ８、溝ローラ用モータ９が取り付けられている。これらのモータ８，９を同一の正方向に駆動させることにより、ワイヤ２は送り用ボビン３ａから送り出され、溝ローラ４ａ，４ｂを繰り返して周回した後、受け用ボビン３ｂに巻き取れられ、これに対し、モータ８，９が逆方向に駆動されると、受け用ボビン３ｂから送り出されたワイヤ２が溝ローラ４ａ，４ｂを経て送り用ボビン３ａに巻き取られる。

それ故、３つのモータ８，９を同期させて駆動することにより、ワイヤ２の正確な往復動作が可能になる。実際上、モータ８，９は所定時間ごとに正逆回転され、この際、送り用ボビン３ａから受け用ボビン３ｂに向けて走行する往動側でのワイヤ２の送り出し長を受け用ボビン３ｂから送り用ボビン３ａに向け走行する復動側でのワイヤ２の送り出し長より長くすることにより、ワイヤ２は往復走行を繰り返しながら徐々に送り用ボビン３ａから新たなワイヤ２が送り出され、そして、徐々に受け用ボビン３ｂに使用済みのワイヤ２が巻き取られることになる。

加工部ワイヤ列２ａの上方（切上げタイプでは下方）には、被加工物昇降装置１０が備えられており、この被加工物昇降装置１０に被加工物１１が支持可能となっている。被加工物昇降装置１０は上下に昇降可能であり、ワイヤ２を往復走行させるとともに被加工物昇降装置１０を下降（切上げタイプでは上昇）させ、被加工物１１を加工部ワイヤ列２ａに押し付けることにより被加工物１１を加工部ワイヤ列２ａで切断加工する。

ワイヤソー装置１には、さらに制御装置１２が備えられている。制御装置１２は、送り用ボビン３ａと溝ローラ部４との間、及び、溝ローラ部４と受け用ボビン３ｂとの間にそれぞれ備えられた張力調整用ローラ６の角度検出器７と送り用ボビン３ａ及び受け用ボビン３ｂのそれぞれのボビン用モータ８ａ，８ｂと、溝ローラ用モータ９とに電気的に接続されている。したがって、制御装置１２は、角度検出器７からの検出信号に基づき、アーム１３の回動角度位置が一定となるように送り用ボビン３ａ及び受け用ボビン３ｂのそれぞれのボビン用モータ８ａ，８ｂの速度を補正する。これにより、ワイヤ２のテンションは応答性が高く調整可能であり、ワイヤ２のテンションの変動を最小限に抑えることができる。１４はトラバーサである。

図３は本発明に係るワイヤソー装置１でのワイヤ速度と時間の関係を示すグラフである。
図示したように、加速時間ｔａでは、例えば往動側にて、ワイヤ２が加速して送り出されている状態であり、グラフ上の面積ａは加速時でのワイヤ２の送り出し長さとなる。次の等速時間ｔｂでは、ワイヤ２が最高速度で走行している状態（定常走行）であり、グラフ上の面積ｂが等速時でのワイヤ２の送り出し長となる。次の減速時間ｔｃでは、ワイヤ２が減速して走行している状態であり、グラフ上の面積ｃが減速時でのワイヤ２の送り出し長さとなる。

減速が終了し、ワイヤ速度がゼロになると、ワイヤ２はその走行方向が逆転され、次の加速時間ｔｄでは、ワイヤ２が復動側にて加速して走行している状態となり、グラフ上の面積ｄが加速時のワイヤ２の送り出し長さとなる。次の等速時間ｔｅでは、ワイヤ２が最高速度で走行している状態（定常走行）であり、グラフ上の面積ｅが等速時でのワイヤ２の送り出し長となる。次の減速時間ｔｆでは、ワイヤ２が減速して走行している状態であり、グラフ上の面積ｆが減速時でのワイヤ２の送り出し長さとなる。これがワイヤ２の１往復動サイクルとなり、この往復動サイクル、即ち、ワイヤ２の往復走行が繰り返される際、前述したように往動側でのワイヤ２の送り出し長（ａ＋ｂ＋ｃ）を復動側でのワイヤ２の送り出し長（ｄ＋ｅ＋ｆ）よりも長くすることで、徐々にワイヤ２を受け用ボビン３ｂに巻き取りながら新たなワイヤ２を送り用ボビン３ａから被加工物１１に向けて供給することが可能となる。

なお、前記した徐々に新たなワイヤ２を供給する手段としては、往動側と復動側のワイヤ２の最高速度は同一として、往動時の等速時間ｔｂを復動時の等速時間ｔｅよりも長くする方法と、往動側と復動側のワイヤ２の等速時間は同一として、往動時の最高速度を復動時の最高速度より早くする方法とがある。
ワイヤ２を往復走行させてこれに被加工物１１を押し当てて、切断加工することについては上述したとおりである。この加工中、制御装置１２は、角度検出器７からの検出信号に基づき、アーム１３の回動角度位置が一定となるように送り用ボビン３ａ及び受け用ボビン３ｂのそれぞれのボビン用モータ８ａ，８ｂの速度を補正することで、ワイヤ２のテンションをワイヤ（ワイヤ母線）２の破断強度の５０％以上の設定張力に対しプラスマイナス２．５Ｎ以下の範囲内に制御する。

一方、制御装置１２は、上述したようにワイヤ２の張力変動を抑制しながら、モータ８，９の駆動を制御し、これにより、往復走行する際のワイヤ２の加減速度を３６０００m／ｍｉｎ^２以上にするか、あるいは、往復走行時にワイヤ２が最高速度から減速し、走行方向を反転して加速し、再び最高速度に達するまでの時間、即ち、減速開始から加速終了までの時間（図２のｔｃ＋ｔｄ）を３秒以下にする。

したがって、制御装置１２は、可能な限り高い張力でワイヤ２を張り、さらに張力変動を抑えてワイヤ２の走行方向が往動と復動との間にて反転される際、その最高速度に復帰するまでの走行反転に要求される時間を大幅に短縮させるから、固定砥粒方式の本来の高速切断加工を十分に発揮させることができる。
より具体的には、制御装置１２は、ワイヤ２を１分間に３往復ストローク以上２０往復ストローク以下で往復走行させる一方、１往復ストロークあたりのワイヤ２の走行長さを３００ｍ以下に制御する。このため、ワイヤ２の往復ストローク長が短いので、被加工物１１の切断までに要するワイヤ２の往復サイクル数を多くすることができる。それ故、被加工物１１の表面粗さを均一化し、微小なうねりや凹凸の発生を抑えることができ、ソーマークを目立たなくさせることができる。これにより、被加工物１１の切断加工精度をさらに安定化あるいは高精度化することができる。

さらに、制御装置１２は固定砥粒ワイヤの高い加工能力を発揮できるワイヤ２の速度範囲として、ワイヤ２の最高速度（図２のｔｂ及びｔｅでの速度）を４００ｍ／ｍｉｎ以上であって、９５０ｍ／ｍｉｎ以下に設定することができる。ワイヤ２の最高速度が４００ｍ／ｍｉｎより低い範囲では、固定砥粒ワイヤの高い加工能力が発揮されず、逆に、９５０ｍ／ｍｉｎより高い範囲では、ワイヤ２に固着されている砥粒が被加工物１１に喰い込む前に被加工物１１上を滑る上滑りという現象が生じ易くなり、効率的な加工が出来ない。

さらにまた、制御装置１２は、往復走行時の往動方向でのワイヤ走行長と、復動方向でのワイヤ走行長との差を４ｍ以下に制御しており、これにより、送り用ボビン３ａから新たに供給するワイヤ２を少なくすることができ、固定砥粒ワイヤの使用量を抑えてランニングコストを低減させ、低コスト化を図ることができる。
図４は本発明に係る別のワイヤソー装置の概略側面図である。

図示したように、溝ローラ部４が、３本の溝ローラ４ａ，４ｂ，４ｃで構成されている。これらの溝ローラ４ａ，４ｂ，４ｃは、側面視で三角形の頂点を形成し、下辺のワイヤ２が加工部ワイヤ列２ａとなる。また、上側の溝ローラ４ａに溝ローラ用モータ９が取り付けられている。したがって、この図の例は、上述した切上げタイプであり、被加工物１１が加工部ワイヤ列２ａの下方に位置している。このような構成によっても、被加工物１１を被加工物昇降装置１０によって上昇させて、被加工物１１を加工部ワイヤ列２ａに押し付けることにより、被加工物１１を加工部ワイヤ列２ａで切断加工することができる。その他の構成、作用、効果は図１及び図２に示したものと同様である。

本発明に係るワイヤソー装置の概略側面図である。 図１のワイヤソー装置の概略平面図である。 本発明に係るワイヤソー装置でのワイヤ速度と時間の関係を示すグラフである。 本発明に係る別のワイヤソー装置の概略側面図である。

符号の説明

１ ワイヤソー装置
２ ワイヤ
３ ボビン部
３ａ 送り用ボビン
３ｂ 受け用ボビン
４ 溝ローラ部
４ａ 溝ローラ
４ｂ 溝ローラ
４ｃ 溝ローラ
５ ガイドローラ
６ 張力調整用ローラ
７ 角度検出器
８ ボビン用モータ
９ 溝ローラ用モータ
１０ 支持台
１１ 被加工物
１２ 制御装置
１３ アーム
１４ トラバーサ

Claims (4)

1. 押し付けられた被加工物を切断加工するための往復走行可能なワイヤを有し、
   該ワイヤに予め砥粒が固着されたワイヤソー装置において、
   前記ワイヤの往復走行中、前記ワイヤの張力を調整するための張力調整手段と、
   該張力調整手段を介して前記ワイヤの張力を制御する一方、前記ワイヤの走行速度を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記ワイヤの張力を前記ワイヤの破断強度の５０％以上となる設定値に対してプラスマイナス２．５N以下に制御しながら、一方向の定常走行から他方向の定常走行へと前記ワイヤの走行反転を実施する際、前記ワイヤの加減速度を３６０００m／ｍｉｎ^２以上に制御するか、又は、前記走行反転に要する時間を３秒以下に制御することを特徴とするワイヤソー装置。
2. 前記制御装置は、前記ワイヤを１分間に３往復以上且つ２０往復以下で往復走行させるとともに、１往復あたりの前記ワイヤの走行長さを３００ｍ以下に制御することを特徴とする請求項１に記載のワイヤソー装置。
3. 前記制御装置は、前記ワイヤの定常走行時の最高速度を４００ｍ／ｍｉｎ以上であって、９５０ｍ／ｍｉｎ以下に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤソー装置。
4. 前記制御装置は、往動方向でのワイヤの走行長と、復動方向でのワイヤの走行長の差を４ｍ以下に制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のワイヤソー装置。

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