JP5527618B2 - ワイヤーソー切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン、ガラス、サファイア等の硬脆性材料を切断するワイヤーソー切断装置に関し、例えば、固定砥粒ワイヤーに対して、ワークを上から下に向けて移動させることによりワークを切断するワイヤーソー切断装置に関する。

従来から、ＳｉＣ、ガラス、サファイア等の硬脆性材料のインゴットからウェハーを切り出すワイヤーソー切断装置が用いられている。このワイヤーソー切断装置は、一般的に、固定砥粒ワイヤーソーと遊離砥粒ワイヤーソーの２種類のタイプに大別される。

前記固定砥粒ワイヤーソーは、主にステンレス線ワイヤーの外周面にダイヤモンド砥粒やＳｉＣ等の固定砥粒を固着させたワイヤーソーである。一方、前記遊離砥粒ワイヤーソーは、ワイヤーには砥粒は固定されておらず、砥粒が含まれる加工液をワイヤーに吹き付けながらワーク（被加工物）を切断するワイヤーソーである。

上記いずれのタイプも、ワイヤーをガイドローラ（キャプスタンローラー，ワークローラーとも呼ぶ）に一定間隔で巻き掛けることで平行な列状に配置し、多数のワイヤーを同時にインゴットに押し付け、切削油（クーラント液）や加工液を切削部へ供給しながらワイヤーを走行させることによって多数枚のウェハーに切断するように構成されている。また、上記の固定砥粒ワイヤーソー及び遊離砥粒ワイヤーソーのいずれも、ノズルから噴出するクーラント液（或いは加工液）を如何に確実に切削界面（ワークとワイヤーが当接し、ワークの切削が進行する面）に供給するかが重要な課題になっている。

そして、上記課題を解決するため、出来るだけ切断溝にクーラント液を供給できるようにワーク上面から切断する方法、より具体的にはワイヤーに対し、ワークを鉛直方向に下部から上部に移動させる、いわゆるアッパーカットが提案されている。

また、特許文献１には、複数のグルーブローラ（上記ガイドローラに相当する溝付きローラ）にワイヤーを巻き掛けてワイヤー列を形成し、走行するワイヤー列にワーク（インゴッド）を押し当てると共に、当該ワークの切断上流側でノズルから前記ワイヤー列にクーラント液を噴出してワークを多数枚のウェハーに切断する固定砥粒ワイヤーソーが提案されている。この固定砥粒ワイヤーソーは、前記ワイヤー列を垂直方向に対して傾斜させている。また、前記固定砥粒ワイヤーソーは、前記ノズルから噴出されたクーラント液の噴出方向に略直交するようにエアーを噴出するエアーノズルを配設し、当該エアーノズルにより前記ワイヤー列に対してカーテン状のエアー流を形成するようになされている。

また、特許文献２には、砥液を供給しながらワイヤーソーのワイヤー列によりインゴットを切断するワイヤーソーのインゴット切断方法において、インゴット切断直後、比較的低粘度のクーラント液を、圧縮空気の圧力により霧状にしてインゴットの切断溝へ噴出する方法が提案されている。

特開平１１−１５１６５６号公報 特開平１０−２９６７１９号公報

しかしながら、上述した従来技術は以下に示す技術的課題を有している。
具体的には、上述したワーク上面から切断するアッパーカットは、直径が６インチ以上のウェハーになると、図３に示すように、インゴット１００の切断が進むと、その切断したウェハーが重力によって開いてしまい、当該切断したウェハーに対して十分な平坦度が得られないという欠点がある。なお、図３では、切断が進んだ段階のインゴット１００をワイヤーの走行方向から見た図を示している。

また、特許文献１に記載の固定砥粒ワイヤーソーは、切削界面より上方（鉛直方向における上方）において、ワイヤー列にクーラント液を吹き付け、その切削界面より上方（鉛直方向における上方）に設置されたエアーノズルによりエアーを吹き付けている。
そして、特許文献１に記載の技術のように、前記切削界面より上方からエアーを吹き付けても、ワイヤー列に吹き付けられたクーラント液が切削界面に達する前に重力によって滴り落ちることを防ぐことができない。すなわち、特許文献１に記載の固定砥粒ワイヤーソーは、エアーノズルの構成（設置位置、エアー吹出方向等）上、クーラント液が切削界面に達する前に重力によって滴り落ちるため、クーラント液を十分に切削界面に供給することができない。その結果、特許文献１に記載されて固定砥粒ワイヤーソーは、十分な潤滑性、冷却能力を保持できなかった。

また、特許文献２に記載の方法は、ウェハー間に付着した砥粒やインゴットの切り粉を切削溝の外に吹き出すことはできるが、切削界面にクーラント液（或いは加工液）を留まらせるものではない。すなわち、特許文献２に記載された方法は、上記の技術的課題を解決するものではない。

なお、遊離砥粒ワイヤーソーに使用される加工液は、砥粒を懸濁させるために油性分を含んで粘性が高いのでワイヤーに付着しやすいばかりでなく、切削界面でも加工液が保持され易いという特性を備えている。一方、固定砥粒ワイヤーソーに使用されるクーラント液は、水性であり粘性が低いためワイヤーに付着しにくいうえ、切削部でもクーラント液が保持されにくいという特性を備えている。そのため、切削界面にクーラント液（或いは加工液）を留まらせることは、上記２種類のタイプのなかで、特に固定砥粒ワイヤーソーにとり困難な課題となっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、粘性の低いクーラント液を切削界面に供給できる、十分な潤滑性と冷却能力を備えているワイヤーソー切断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、２個以上のガイドローラにワイヤーを巻き付けてワイヤー列を形成し、該ガイドローラを回転させ該ワイヤー列を双方向又は一方向に走行させながら該ワイヤー列にワークを押し当て当接させ、該ワークにクーラント液を吹き付けて該ワークを鉛直方向に上から下に移動させることにより、該ワークを多数枚のウェハーに切断するワイヤーソー切断装置において、前記ワークに向けてエアーを吹き付けるエアーノズルを有し、前記エアーノズルは、前記ワイヤー列と前記ワークとが当接する切削界面よりも前記鉛直方向の下側に配置され、前記切削界面に向けて上方或いは斜め上方にエアーを噴出するようになされていることを特徴としている。

このように、本発明では、ワイヤー列とワークとが当接する切削界面よりも下側にエアーノズルが配置され、そのエアーノズルが切削界面に向けて上方或いは斜め上方にエアーを噴出するようになされている。そのため、本発明によれば、重力によって滴り落ちるクーラント液を切削界面に押し戻すことができ、その結果、切削における潤滑性や冷却能力が損なわれることが防止される。

本発明によれば、粘性の低いクーラント液を切削界面に供給できる、十分な潤滑性と冷却能力を備えているワイヤーソー切断装置を提供することができる。

本発明の実施形態のワイヤーソー切断装置の構成を説明するための模式図であり、ワイヤーソー切断装置を側面から見た模式図を示している。 図１に示したワイヤーソー切断装置の主要部の動作を説明するための模式図である。 ワークを上向きに移動させて切断するアッパーカット方式のワイヤーソー切断装置における切断時のワークの側面図である。

以下、本発明の実施形態について図１及び図２に基づいて説明する。なお、図１は、本実施形態のワイヤーソー切断装置の構成を説明するための模式図である。また、図２は、図１に示したワイヤーソー切断装置の主要部の動作を説明するための模式図である。
なお、本実施形態のワイヤーソー切断装置Ｚは、粘性の低いクーラント液を切削部（切削界面）３に供給するために設けたエアー供給ユニット９に特徴があり、エアー供給ユニット９以外の構成は既存の技術により実願可能になっている。そのため、以下では、エアー供給ユニット９について詳細に説明し、それ以外の構成の説明は簡略化する。また、本実施形態では、ワイヤーソー切断装置Ｚが固定砥粒ワイヤーソーである場合を例にしている。

具体的には、図１に示すように、本実施形態のワイヤーソー切断装置Ｚは、中空箱状の加工室１を備えている。この加工室１の内部には、略円柱状の結晶インゴッド（ワーク）Ｗを切断する切断ユニット１０と、結晶インゴッドＷを保持し且つ上下方向（Ｙ方向）に移動させるワーク送りユニット２０と、結晶インゴッドＷの切削部（切削界面）３を冷却するクーラント液８を噴射するクーラント液噴射ユニット４と、結晶インゴッドＷに向けてエアー７（図２参照）を吹き付けるエアーノズル９ａを有するエアー供給ユニット９とが配置されている。また、ワイヤーソー切断装置Ｚは、装置全体の動作を制御する制御ユニット（図示せず）を備えており、当該制御ユニットからの制御信号にしたがい、駆動するようになっている。

ここで、前記加工室１の大きさや形状は、適宜設計されるものであり特に限定されるものではない。また、前記制御ユニットは、例えば、CPU及びメモリを備える専用回路により構成されている。そして、前記CPUが前記メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、ワイヤーソー切断装置Ｚの動作が制御される。以下、本実施形態のワイヤーソー切断装置Ｚの各構成を順に説明する。

先ず、切断ユニット１０について説明する。
切断ユニット１０は、加工室１の内部において、左右にそれぞれ１個づつ配置された一対のガイドローラ１２Ａ、１２Ｂと、前記１対のガイドローラ１２Ａ、１２Ｂに巻き掛けられたワイヤーにより形成されたワイヤー列１５（ワイヤーを紙面に垂直方向に並ぶ、紙面に平行な列状に配置して形成されたワイヤー列１５）と、ガイドローラ１２Ａ、１２Ｂを回転駆動させる駆動モータ等で構成される駆動機構（図示せず）とを備えている。また、切断ユニット１０は、図示しない架台により支持されている。

また、一対のガイドローラ１２Ａ、１２Ｂは、回転軸１２Ａ１、１２Ｂ１により回転自在に支持されており、前記駆動機構により、回転軸１２Ａ１、１２Ｂ１を中心に時計周り及び反時計周りのいずれにも回転できるようになっている。また、ガイドローラ１２Ａ、１２Ｂは、所定間隔で平行に配置され、それぞれ複数のワイヤー溝が一定間隔で平行に形成されている。なお、前記駆動機構は、前記制御ユニットからの制御信号にしたがい駆動するようになっている。

また、前記ワイヤーは、その外周面にダイヤモンド砥粒等の固定砥粒が固着されたもの（例えば、芯線径φ１８０μｍの金属製ワイヤーに、粒径３０〜４０μｍのダイヤモンド砥粒が固着されたワイヤー）が用いられる。そして、前記ワイヤーは、ガイドローラ１２Ａ、１２Ｂの表面に施された所定間隔で平行に配置され、複数の平行なワイヤー溝に沿ってガイドローラ１２Ａ（もしくは１２Ｂ）に順次巻き取られるようになされている。すなわち、前記ワイヤーは、ガイドローラ１２Ａ、１２Ｂの回転により、ガイドローラ１２Ａ（もしくは１２Ｂ）に順次巻き取られ、これにより、ガイドローラ１２Ａ、１２Ｂに巻き掛けられて形成されたワイヤー列１５が走行（図示するＸ１方向、Ｘ２方向のいずれにも走行）するようになっている。なお、ワイヤー列１５は、例えば、ガイドローラ１２Ａ、１２Ｂの回転により、毎分４００〜５００ｍで走行する。

次に、ワーク送りユニット２０について説明する。
ワーク送りユニット２０は、図示しない支持ユニットにより保持されていると共に、前記制御ユニットからの制御信号に基づいて、上下方向（図１に示すＹ方向）に移動可能に構成された移動コラム２１と、移動コラム２１の自由端（下端）に取付けられたチルチングユニット２２とを備えている。そして、チルチングユニット２２のワーク保持部に結晶インゴッドＷが保持されるようになっている。そして、ワーク送りユニット２０は、走行しているワイヤー列１５に、保持している結晶インゴッドＷを下降させて押し当て、さらに、その結晶インゴッドＷを鉛直方向（Ｙ方向）に上から下に向けて移動させることにより、結晶インゴッドＷを多数枚のウェハーに同時切断できるようになっている。

次に、クーラント液供給ユニット４について説明する。
クーラント液供給ユニット４は、ワイヤー列１５の走行面の上側に配置したクーラント液ノズル４ａと、水溶性クーラント液（以下、単に「クーラント液」という）８が貯留されたタンク（図示せず）と、当該タンクに貯留されたクーラント液をクーラント液ノズル４ａに供給するポンプ（図示せず）とを備えている。また、クーラント液ノズル４ａは、スロット状（細い長孔状）の吹出口が複数、ワイヤー列１５の走行方向に直交する紙面に垂直な向きに配設されると共に、その横幅がワイヤー列１５の幅より大きくなるように形成される。なお、図示する例では、２つのクーラント液ノズル４ａが、結晶インゴッドＷの外周部を挟んで、互いに対向して配置されている（左右対称に配置されている）。また、クーラント液ノズル４ａは、切断ユニット１０を支持する架台（図示せず）に、ブラケット等で固定されている。

そして、クーラント液ノズル４ａは、前記制御ユニットからの制御信号にしたがい動作する前記ポンプからクーラント液を供給され、その供給されたクーラント液を噴射する。より具体的には、クーラント液ノズル４ａは、「ワイヤー列１５」および「ワイヤー列１５に当接する結晶インゴッドＷの外周面」に向けて斜め下向きにクーラント液８を噴出する。

次に、エアー供給ユニット９について説明する。
エアー供給ユニット９は、結晶インゴッドＷに向けてエアー７（図２参照）を吹き付けるエアーノズル９ａと、エアーノズル９ａにエアーを供給するエアーポンプ（図示せず）とを備えている。また、エアーノズル９ａは、ワイヤー列１５と結晶インゴッドＷとが当接する切削部（切削界面）３よりも下側（鉛直方向（Ｙ方向）において下側）に配置されており、結晶インゴッドＷの切削界面３に向かって上方或いは斜め上方にエアーを噴出するようになされている。なお、前記エアーポンプは、前記制御ユニットからの制御信号にしたがい動作して、エアーノズル９ａにエアーを供給するようになっている。

具体的には、エアーノズル９ａは、円筒状に形成されており、結晶インゴッドＷの長手方向に沿って配置されている。また、エアーノズル９ａは、ワイヤー列１５の下部（切削部（切削界面）３）から所定寸法（例えば、３０ｍｍ）離れた位置（又は、結晶インゴッドＷ６が下降した際に接触しない位置）に、左右にそれぞれ１個づつ設置されている（左右対称にエアーノズル９ａが配置されている）。また、エアーノズル９ａには、所定径寸法（例えば、直径２ｍｍ）の穴が所定ピッチ（例えば、５ｍｍピッチ）で、複数設けられている（例えば、６０個設けられている）。なお、エアーノズル９ａは、切断ユニット１０を支持する架台（図示せず）に、ブラケット等で固定されている。

上記構成により、エアーノズル９ａは、結晶インゴッドＷの切断部中心に向かって斜め上方にエアー７を噴出させることができるため、結晶インゴッドＷの切断溝に粘性の低いクーラント液８が重力によって滴り落ちず、クーラント液８が切削界面３に残りやすくなる。

次に、本実施形態のワイヤーソー切断装置Ｚの動作を説明する。

具体的には、本実施形態のワイヤーソー切断装置Ｚにより、結晶インゴッドＷを切断する場合、先ず、ワーク送りユニット２０のチルチングユニット２２（ワーク保持部）に結晶インゴッドＷをセットする（チルチングユニット２２に、結晶インゴッドＷを取付けて保持させる）。なお、この場合、ワーク送りユニット２０は、ホームポジションに配置されている（保持している結晶インゴットＷの下端部が、ワイヤー列１５よりも上方に配置されている）。

次に、作業者が前記制御ユニットを操作し、ワイヤーソー切断装置Ｚに駆動指示を入力すると、切断ユニット１０のガイドローラ１２Ａ、１２Ｂが回転を開始し、ガイドローラ１２Ａ、１２Ｂに巻き掛けられたワイヤーにより形成されたワイヤー列１５が走行する（例えば、Ｘ１方向に走行する）。

また、前記ワイヤー列１５の走行動作に連動し、ワーク送りユニット２０の下降動作（Ｙ方向における下降動作）が開始される。これにより、ワーク送りユニット２０が保持している結晶インゴッドＷは、走行しているワイヤー列１５に押し当てられて切断されていく。
また、図２に示すように、前記ワイヤー列１５の走行動作に連動して、クーラント液ノズル４ａから「ワイヤー列１５」および「ワイヤー列１５に当接する結晶インゴッドＷの外周面」に向かって斜め下向きにクーラント液８が噴出されると共に、エアーノズル９ａから結晶インゴッドＷの切削界面３に向かって上方（或いは斜め上方）にエアー７が吹き付けられる。

そして、本実施形態によれば、切削部（切削界面）３よりも下側にエアーノズル９ａが
配置されているため、切削部（切削界面）３よりも下側からエアー７が吹き付けられる（図２参照）。そのため、本実施形態によれば、エアー７により、重力によって滴り落ちるクーラント液８（図２において波線で示したクーラント液８）を切削界面３に押し戻すことができ、その結果、切削界面３の全体にわたってクーラント液が供給されるようになる。
また、本実施形態では、エアーノズル９ａが、切削界面３よりも下側において、左右対称に配置されているため、ワイヤーの走行方向を前進・後退交互に運転した場合でも、より確実に、切削界面３にクーラント液を供給することができる。

以上、説明したとおり、本実施形態によれば、粘性の低いクーラント液８を切削界面３に供給できる、十分な潤滑性と冷却能力を備えているワイヤーソー切断装置Ｚを提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変更が可能である。

例えば、上述した実施形態では、エアーノズル９ａ及びクーラント液ノズル４ａは、いずれも、所定位置に固定されているが、あくまでも、これは一例に過ぎない。ワーク送りユニット２０の下降動作（Ｙ方向における下降動作）に連動して、例えば、エアーノズル９ａ及びクーラント液ノズル４ａがＸ方向に往復移動できるように構成されていてもよい。すなわち、エアーノズル９ａ（又はクーラント液ノズル４ａ）が、下降する結晶インゴッドＷに衝突しない範囲で、結晶インゴッドＷに接近して、エアー７（又はクーラント液８）を吹き付けるようにしてもよい。

また、例えば、上述した実施形態では、２つのエアーノズル９ａが設けられていたが特にこれに限定されるものではない。下降する結晶インゴッドＷに衝突しない位置であれば、エアーノズル９ａを設置することが可能であるため、３つ以上のエアーノズル９ａを設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、切断ユニット１０は、１対のガイドローラ１２Ａ、１２Ｂと、１対のガイドローラ１２Ａ、１２Ｂに巻き掛けられたワイヤーにより形成されたワイヤー列１５とを有する構成を採用していたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、３個以上のガイドローラを備え、３個以上のガイドローラにワイヤーを巻き掛けてワイヤー列１５が形成されるようになっていてもよい。

また、例えば、上述した実施形態では、ワイヤーソー切断装置Ｚが、固定砥粒ワイヤーソーである場合について示したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、遊離砥粒ワイヤーソーであっても本発明を適用することができる。
〈実施例・比較例〉

続いて、本発明のワイヤーソー切断装置の性能について、図１に示すワイヤーソー切断装置Ｚを用いた切断試験（実施例及び比較例）に基づいて検証する。

実施例及び比較例では、切断対象の結晶インゴットＷとして、「直径１５０ｍｍ（６インチ）、長さ１５０ｍｍ」の結晶サファイアインゴットを用いた。また、加工室１は、「縦９５０ｍｍ、横９００ｍｍ、奥行６３０ｍｍ」の中空箱状に形成されているものを用いた。また、ワイヤー列１５を形成するワイヤーには、「芯線径φ１８０μm、ダイヤモンド粒径３０〜４０μm」からなる固定砥粒ワイヤーを用いた。また、ワイヤー列１５は、毎分５００ｍで走行させた。また、ワーク送りユニット２０は、「分速０．１２５から０．２４ｍｍ」で結晶インゴットＷを下降させ、前記走行しているワイヤー列１５に結晶インゴットＷを押し当てることによって多数枚のウェハーに同時に切断した。また、クーラント液噴射ユニット４から水溶性クーラント液８を毎分５０Ｌ吐出させた。
また、エアーノズル９ａには、長手方向の長さが「３００ｍｍ」の円筒状に形成され、且つ直径２ｍｍの穴が5ｍｍピッチで６０個開いているものを用いた。また、エアーノズル９ａは、ワイヤー列１５の下部（切削界面３）から「３０ｍｍ」離れた位置に、左右にそれぞれ１個ずつ設置した。

そして、実施例として、エアーノズル９ａから噴出されるエアーの圧力が「０．２ＭＰａ」での切断試験（実施例１）と、当該圧力が「０．５ＭＰａ」での切断試験（実施例２）とを行った。また、比較例として、エアーノズル９ａからのエアーを吹き付けないで切断試験を行った。なお、実施例１、２では、結晶インゴットＷの切削界面３に向かって斜め上方に、エアーノズル９ａからのエアー７を吹き付けた。

そして、切断試験（実施例１、２及び比較例）によるワイヤー列１５のダイヤ摩耗量の評価は以下のように行った。まず、使用前ワイヤーのダイヤ突き出し量を「測定子φ６ｍｍのマイクロメーター」を用いてあらかじめ測定した。なお、測定は１ｍ置きに５０点測定してその平均を使用前のダイヤ突き出し量とした。そして、上記切断試験を行った後に再度、同様の方法でダイヤ突き出し量を測定しその平均を算出し、ワイヤーの使用前後の差をダイヤ摩耗量として求めると以下の「表１」に示す結果が得られた。
《表１》

上記の表１に示すように、実施例１による「圧力０．２ＭＰａ」のときのダイヤ摩耗量（８μｍ）よりも、実施例２による「圧力０．５ＭＰａ」のときのダイヤ摩耗量（５μｍ）の方が小さくなった。すなわち、エアー吹き付けの圧力を大きくする方が、ダイヤ摩耗量が小さかった。また、比較例によるエアー無しのときのダイヤ摩耗量は「１９μｍ」となり、実施例１、２よりも大きかった。

これにより、切削部（切削界面）３よりも下側に配置されたエアーノズル９ａから結晶インゴットＷに向かって斜め上方にエアーを噴射しながら切断することにより、ワイヤー列１５のワイヤーに固着しているダイヤの摩耗量が小さくなることが確認された。すなわち、切削部（切削界面）３よりも下側に配置されたエアーノズル９ａから結晶インゴットＷに向かって斜め上方にエアーを噴射することにより、クーラント液８を切削界面３に効果的に供給できることが推認された。
なお、上記の加工条件と、結晶インゴットＷに圧力「０．５ＭＰａ」のエアーを吹き付けたスライス加工によれば、厚さのバラツキが小さく、かつ、面内平行度の優れたウェハーを得ることができた。

Ｗ…結晶インゴッド（ワーク）、Ｚ…ワイヤーソー切断装置、１…加工室、３…切削部（切削界面）、４…クーラント液供給ユニット、４ａ…クーラント液供給ノズル（クーラント液供給ユニット）、７…エアー、８…クーラント液、９…エアー供給ユニット、９ａ…エアーノズル（エアー供給ユニット）、１０…切断ユニット１０、１２Ａ…ガイドローラ（切断ユニット）、１２Ｂ…ガイドローラ（切断ユニット）、１５…ワイヤー列（切断ユニット）、２０…ワーク送りユニット、２１…移動コラム（ワーク送りユニット）、２２…チルチングユニット（ワーク送りユニット）

Claims (1)

1. ２個以上のガイドローラにワイヤーを巻き付けてワイヤー列を形成し、該ガイドローラを回転させ該ワイヤー列を双方向又は一方向に走行させながら該ワイヤー列にワークを押し当て当接させ、該ワークにクーラント液を吹き付けて該ワークを鉛直方向に上から下に移動させることにより、該ワークを多数枚のウェハーに切断するワイヤーソー切断装置において、
   前記ワークに向けてエアーを吹き付けるエアーノズルを有し、
   前記エアーノズルは、前記ワイヤー列と前記ワークとが当接する切削界面よりも前記鉛直方向の下側に配置され、前記切削界面に向けて上方或いは斜め上方にエアーを噴出するようになされていることを特徴とするワイヤーソー切断装置。

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