JP2013126704A - 溝付きローラー及びこれを用いたワイヤーソー - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、固定砥粒ワイヤーソーを用いた高硬度材料の切断において、ワイヤー外れを防止するともに、切断後のウェハに、ソーマークと呼ばれる切断による表面凹凸形状が大きく残る現象を防止することができる溝付きローラーを提供することを目的とする。
【解決手段】外周面に複数のワイヤー張設用の溝２０、３０が所定のピッチで形成されたワイヤーソー用の溝付きローラー１０、１１であって、
前記溝の断面形状は、Ｖ字形の底部２１、３１と、該底部の上端から外周表面に向かって等幅に形成された等幅部２２、３２とを有する形状であることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、溝付きローラー及びこれを用いたワイヤーソーに関し、特に、外周面に複数のワイヤー張設用の溝が所定のピッチで形成された溝付きローラー及びこれを用いたワイヤーソーに関する。

半導体装置や発光ダイオード（Light Emitting Diode）の製造用材料として用いられる半導体ウェハは、半導体単結晶をウェハ状にスライスすることにより、製造される。

従来から、半導体単結晶をウェハ状にスライスする方法として、マルチワイヤーソーを用いた切断加工方式が知られており、広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

マルチワイヤーソーは張力を与えた多数のワイヤーを往復運動させることにより半導体単結晶等の被切断材料をスライスする方法であり、平行に配置された一定の間隔でワイヤー位置固定用の溝が刻まれた２つの駆動用のローラー（溝付きローラー）の間にループ状のワイヤーを多数張り、ローラーを回転させることにより、ワイヤーを往復運動させながら、ワイヤーに被切断材料を押圧させることにより、ワイヤーと被切断材料の摩擦により被切断材料を加工するものである。

従来は、ワイヤーと被切断材料の間に砥粒を懸濁させた液体を連続供給しながら加工する遊離砥粒方式の加工方法が多かったが、近年、発光ダイオード用のウェハに用いられるサファイアやＳｉＣ等の高硬度材料を加工するために、ワイヤーにダイヤモンドの砥粒を固着したワイヤーを用いて加工する固定砥粒方式が増加してきている。

溝付きローラーとしては、円柱状の溝付きローラー表面に、ウェハ加工に用いる際のワイヤーの直径より最大で２０％太いワイヤーで、Ｕ字形状の溝を形成した溝付きローラーが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に記載の溝付きローラーにおいては、Ｕ字形の溝形状とすることにより、溝付きローラーの軸方向の溝間隔が狭く、ウェハ加工時にワイヤーが溝から外れにくく、かつ細径ワイヤーを使用する事ができるという効果を奏している。

特開２００３−３２０５２１号公報 特開２００８−１２６３４１号公報

しかしながら、特許文献２に記載された溝付きローラーを用いた場合でも、サファイアやＳｉＣ等の高硬度材料を固定砥粒方式で切断加工を行うと、ワイヤーとワイヤーに固着されたダイヤモンドとの密着力が大きく、高硬度材料との摩擦力が強くなり、ワイヤーのブレが大きく、切断後のウェハにソーマークと呼ばれる、切断による表面凹凸形状が大きく残るという問題が生じていた。

そこで、本発明は、固定砥粒ワイヤーソーを用いた高硬度材料の切断において、ワイヤーのブレを抑制してソーマークの発生を低減するとともに、溝からのワイヤー外れを防止することができる溝付きローラー及びこれを用いたワイヤーソーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る溝付きローラーの一態様は、
外周面に複数のワイヤー張設用の溝が所定のピッチで形成されたワイヤーソー用の溝付きローラーであって、
前記溝の断面形状は、Ｖ字形の底部と、該底部の上端から外周表面に向かって等幅に形成された等幅部とを有する形状であることを特徴とする。

また、前記等幅部は、前記外周表面まで到達している形状であってもよい。

また、前記等幅部は、前記外周表面まで到達せず、
前記等幅部の上端から前記外周表面に向かって溝幅が広くなるとともに前記外周表面に達する導入部を更に有する形状であってもよい。

また、前記導入部の溝角度は、６０〜９０°であることが好ましい。

また、前記底部の溝角度は、４５〜９０°であることが好ましい。

また、前記溝の前記底部の上端までの深さは、ワイヤー直径の３〜５倍であることが好ましい。

また、前記等幅部の溝幅は、ワイヤー直径の１．１〜１．５倍であることが好ましい。

また、前記溝が形成された部分が、ウレタン樹脂からなることが好ましい。

また、本発明の他の一態様に係るワイヤーソーは、前記溝付きローラーを有し、
該溝付きローラーにワイヤーを巻き付けてワイヤーを移動させるワイヤー移動機構と、
被加工対象物を固定保持する保持機構と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、切断時におけるワイヤーのブレ及びワイヤーが溝から外れることを抑制することができ、ワイヤーのピッチ精度を確保することができる。

本発明の実施例１に係るマルチワイヤーソーの概略構成を示す図である。 実施例１に係るマルチワイヤーソーの溝付きローラー部分の拡大図である。 実施例１に係る溝付きローラーの一例を示した図である。 図３に示された溝付きローラー１０のＢ部断面拡大図である。 実施例１に係る溝付きローラーの溝の寸法比率の一例を示した図である。 本発明の実施例２に係る溝付きローラーの一例の断面構成を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

図１は、本発明の実施例１に係るマルチワイヤーソーの概略構成を示す図である。図１において、実施例１に係るマルチワイヤーソー１００は、溝付きローラー１０と、ワイヤー４０と、リール５０と、ガイドローラー６０と、切断用ブロック７０と、ダミー材８０と、供給ノズル９０とを有する。また、図１において、関連構成要素として、被加工物１１０が示されている。

図１において、被加工物１１０がダミー材８０を介して、被加工物１１０をマルチワイヤーソー１００本体に固定するための切断用ブロック７０に取り付けられている。被加工物１１０の斜め下方には、被加工物１１０の切断時にワイヤー４０へ切削用の液を供給するための供給ノズル９０が設けられている。そして、供給ノズル９０の下方には加工用のワイヤー４０を装着するための溝付きローラー１０が平行に２本設けられており、ワイヤー４０は被加工物１１０の切断時に片側のリール５０から巻き出されることにより、新しいワイヤー４０が供給される。被加工物１１０の加工を終えたワイヤー４０は反対側のリール５０で巻き取られる構成となっている。

溝付きローラー１０は、外周面に形成されたワイヤー張設用の溝に加工用のワイヤー４０を収容し、ワイヤー４０を所定ピッチで配列するとともに、その状態でワイヤー４０を移動させ、被加工物１１０を切断加工するための円筒状部材である。図１においては示されていないが、円筒形状の曲面（周面）上に溝が形成され、ワイヤー４０を溝内に収容できる構造を有している。そして、被加工物１１０にワイヤー４０が押し付けられた状態で、溝付きローラー１０が時計回り、反時計回りと順次回転することにより、ワイヤー４０が左右に交互に移動し、のこぎりと同じような往復運動の動作で被加工物１１０を切断する。なお、溝の構成については、後述する。

ワイヤー４０は、被加工物１１０を切断加工するための加工手段であり、上述のように、溝付きローラー１０に装着されて位置決めされ、被加工物１１０に押し当てられた状態で、横方向（水平方向）に向きを変えて交互に移動することにより、被加工物１１０を切断加工する。

リール５０は、ワイヤー４０が巻回され、一方のリール５０からワイヤー４０を送り出して供給するとともに、他方のリール５０でワイヤー４０を巻き取ることにより回収するための部材である。

ガイドローラー６０は、ワイヤー供給側のリール５０から供給されたワイヤー４０と、ワイヤー回収側のリール５０に巻き取られて回収されるワイヤー４０の方向をガイドするための部材である。つまり、供給側のワイヤー４０を溝付きローラー１０に導き、溝付きローラー１０から送られてきたワイヤー４０を回収側のリール５０に導く。

なお、溝付きローラー１０、リール５０は、モータ等の回転駆動機構を備えてよく、全体として、ワイヤー移動機構を構成してよい。

切断用ブロック７０は、被加工物１１０を切断加工するために、被加工物１１０を固定支持するための固定支持部材である。

ダミー材８０は、切断用ブロック７０と被加工物１１０との間に設けられ、被加工物１１０の切断加工の際、被加工物１１０とともに切断される部材である。

供給ノズル９０は、被加工物１１０の切断時にワイヤー４０へ切削用の液を供給するための手段であり、固定砥粒方式の切断加工の場合には、ワイヤー４０を冷却するためのクーラントが供給される。一方、遊離砥粒方式の場合には、砥粒を含んだスラリが供給される。

被加工物１１０は、半導体単結晶の他、サファイアやＳｉＣ等の高硬度材料であってもよい。実施例１に係るワイヤーソーは、高硬度材料の加工に用いられる固定砥粒方式に十分対応できるので、そのような切断加工が困難な高硬度材料を被加工物１１０とすることができる。

図２は、実施例１に係るマルチワイヤーソー１００の溝付きローラー１０部分の拡大図である。溝付きローラー１０は、円筒状の形状をなし、中心部がＳＵＳ３０４等のステンレス鋼からなる芯金で構成され、芯金の外周に各種鋼材（ＳＵＳ３０４、３１６）、セラミック材、ウレタン樹脂などから成るローラー基体が嵌め込まれ、ローラー基体表面にワイヤー４０を装着するための複数本の溝２０が設けられる。

芯金とローラー基体を別部品として、ローラー基体表面に形成した溝２０が磨耗したり破損したりした際に、ローラー基体のみを交換することで、溝付きローラー１０のランニングコストを抑える事が可能になる。

ローラー基体の材質は上記の材質であれば特に制限が無いが、固定砥粒方式を用いる場合には、ダイヤモンドが固着されたワイヤーが磨耗しにくいようにするため、ウレタン樹脂製のローラー基体が適している。よって、固定砥粒方式の場合には、ウレタン樹脂製のローラー基体を用い、その表面に溝２０を形成するようにしてもよい。

図３は、実施例１に係る溝付きローラー１０の一例を示した図である。図３に示すように、実施例１に係る溝付きローラー１０は、円筒形状の曲面をなす外周面の表面に、溝２０が形成された構成を有する。溝２０は、所定のピッチを有し、円筒形状の軸と垂直に、外周面に沿って、複数形成されている。

図４は、図３に示された溝付きローラー１０のＢ部断面拡大図である。なお、断面は、溝付きローラー１０の軸に平行な、径方向で切った断面を示している。図４において、溝付きローラー１０の外周面の断面構成が示され、ワイヤー４０をガイドする溝２０の詳細な断面構成が表されている。

溝２０の断面形状は、底部２１と、等幅部２２と、導入部２３とを有する形状となっている。底部２１は、溝２０の底面をなし、Ｖ字形状の断面形状を有する。つまり、溝２０が深くなる程溝幅が狭くなり、先が尖ったＶ字形に形成されている。底部２１の傾斜面は、曲線的な断面ではなく、直線的な断面となっている。つまり、Ｕ字形の形状ではなく、Ｖ字形の形状を有する。かかるＶ字形の斜面を有することにより、ワイヤー４０に引っ張られる力が加わると、ワイヤー４０は、傾斜面に沿って底部の最も深い部分に向かう力が働くので、高精度にワイヤー４０の位置決めを行うことができる。

等幅部２２は、Ｖ字形の底部２１の上端から連続して、等幅の溝幅を有して、外周表面側に向かって延びた断面形状を有している。等幅部２２は、溝付きローラー１０の外周表面に向かって延びるが、外周表面までは到達しておらず、溝２０の中間部として設けられる。等幅部２２は、ワイヤー４０に対しては壁のような役割を果たし、ワイヤー４０が溝２０からはみ出すことを防止するように機能する。また、ワイヤー４０が横方向（溝幅方向）に移動するのを防止し、ワイヤー４０の切断時のブレを抑制する。等幅部２２により、ワイヤー４０は、縦方向（深さ方向）及び横方向（幅方向）に関して移動が制約され、溝２０の内部からはみ出したり、溝２０の内部で横方向にブレたり振動したりするような移動ができなくなる。これにより、ワイヤー４０の位置決めが高精度に行われる。

導入部２３は、等幅部２２の上端と溝付きローラー１０の外周表面との間を繋ぐ溝部分であり、等幅部２２の上端から、外周表面に接近するにつれて溝幅が広くなる直線的なラッパ形、チューリップ形の断面形状を有する。導入部２３は、ワイヤー４０が溝２０に入り易くするために設けられている。つまり、等幅部２２が溝付きローラー１０の外周表面までそのまま等幅で到達した溝形状であると、溝２０にワイヤー４０を入れるのが困難になるおそれがあるので、ワイヤー４０の溝２０への収容を容易にすべく、外周表面の開口面積を大きくした外側に向かって溝幅が大きくなる断面形状を有する。

このように、実施例１に係る溝付きローラー１０においては、溝幅の異なる３つの部分を有する溝２０を外周面に形成することにより、ワイヤー４０の位置決めが正確になされるとともに、ワイヤー４０が溝２０から外れたり溝２０内でぶれたりすることを抑制し、かつ、溝２０へのワイヤー４０の装着を容易に行うことができる構成を有する。

なお、溝２０の断面形状を、外周表面側から表現すると、溝２０は断面形状が溝付きローラー１０の外周表面から中心部に向かい幅狭となる導入部と、導入部と連続し、等幅で形成された等幅部と、等幅部と連続して中心部に向かい幅狭となる底部からなっていることになる。

なお、導入部２３の溝角度θ１は、６０度〜９０度であることが望ましい。導入部２３の溝角度が６０度以下の場合は、溝付きローラー表面の開口幅が狭くなり、ワイヤー４０を溝付きローラー１０へ巻き付ける際に、ワイヤー４０の位置がずれた場合、溝２０にワイヤーが収まらなくなるおそれがある。一方、導入部２３の溝角度θ１が９０度以上の場合は、溝２０の導入部２３に入ったワイヤー４０の滑りが悪く、導入部２３でワイヤー４０が止まってしまい、溝２０にワイヤー４０が収まりにくくなるおそれがある。

等幅部２２は、断面形状が導入部２３から底部２１に接続されるまで等幅であり、溝幅がワイヤー直径の１．１〜１．５倍で、かつ溝深さｔがワイヤー直径の３〜５倍であることが好ましい。ここで、溝深さｔは、等幅部２２の下端の深さ、言い換えれば底部２１の上端の深さを指す。つまり、等幅部２２の下端部又は底部２１の上端部とローラー１０の外周表面までの距離が、溝深さｔとなる。また、等幅部２２の溝幅がワイヤー直径の１．１倍乃至１．５倍であることが好ましいのは、等幅部２２の溝幅がワイヤー直径の１．１倍より小さくなると、ワイヤー４０が等幅部２２内で引っかかって底部２３に収まりにくくなるおそれがあり、１．５倍よりも大きくなると被加工物１１０を切断する際にワイヤー４０が溝幅内で振幅し、ワイヤー４０の平面状態に悪影響を及ぼすようになるおそれがあるからである。また、溝部深さｔがワイヤー直径の３倍より小さくなると、ワイヤー４０が溝２０から外れやすくなり、５倍より大きくしてもワイヤー４０が外れにくい効果は変わらず、溝加工が困難になるためメリットがない。よって、溝深さｔは、ワイヤー直径の３乃至５倍であることが好ましい。

底部の溝角度θ２は、４５°〜９０°であることが好ましい。溝角度θ２が４５°〜９０°の範囲を外れると、ワイヤー４０の収まりが悪くなるおそれがあり、被加工物１１０を切断する際のワイヤー４０のブレが大きくなり、被加工物１１０の加工精度に悪影響を及ぼすおそれがあるからである。

実施例１に係るマルチワイヤーソー１００においては、実施例１に係る溝付きローラー１０を用いて、固定砥粒型ワイヤー４０をガイド溝２０に捲回し、一方向に移動、もしくは往復移動させるとともに、切削液を供給ノズル４０に設けた供給孔から吐出させるようにしている。微調整テーブルに仕掛けた被加工体１１０を、溝付きローラー１０に捲回した数百本から成る、ワイヤー４０群に押し当てることにより、被加工体１１０の切断加工が行える。

図５は、実施例１に係る溝付きローラー１０の溝２０の寸法比率の一例を示した図である。なお、ワイヤー４０の表面には、模式的にダイヤモンド等からなる固定砥流４１が固着して設けられている。図５に示すように、例えば、ピッチ幅Ｐを０．９５としたときに、溝幅を０．３０、溝２０の最深部の深さを０．５０、等幅部２２のみの深さ（深さ方向の長さ）を０．３０、底部２１の溝角度を９０°、導入部の溝角度を６０°、導入部２１の開口幅を０．５４としてもよい。図５において、溝２０の等幅部２２の下端の深さは特に示されていないが、ワイヤー直径との関係で、上述の関係を満たし得る。また、上述の関係を満たしていなくても、底部２１、等幅部２２及び導入部２３を有する断面形状となっており、ワイヤー４０のブレや外れを防止できる構成となっている。なお、図５は、あくまで溝２０の各部のサイズ比率と溝角度の一例を示した図であり、これらの値は、用途に応じて種々設定してよいことは言うまでも無い。

図６は、本発明の実施例２に係る溝付きローラー１１の一例の断面構成を示した図である。なお、断面は、実施例１と同様に、溝付きローラー１１の軸に平行で、半径方向に切った断面を示している。実施例２に係る溝付きローラー１１は、外周面に溝３０を備えているが、溝３０の断面形状が、底部３１と等幅部３２のみであり、導入部を有しない点で、実施例１に係る溝付きローラー１０と異なっている。なお、溝３０の内部には、ワイヤー４０が設置され、ワイヤー４０の表面には、ダイヤモンド等からなる固定砥流４１が模式的に示されている。

図６に示すように、導入部を設けず、Ｖ字形状を有する底部３１と、底部３１の上端から溝付きローラー１１の外周表面に向かって延び、そのまま外周表面に到達する等幅部３２とを有する断面形状を有する溝３０を溝付きローラー１１の外周面に形成してもよい。

図６において、例示的な溝３０の各部のサイズ比率及び溝角度が示されているが、例えば、図６に示すような寸法比率の構成としてもよい。つまり、溝３０同士の底部３１の最深部同士のピッチＰを０．９５ｍｍとし、溝３０の最深部の深さを１．０ｍｍとし、溝３０の開口部同士の間隔を０．２６ｍｍとする。また、等幅部３２の下端又は底部３１の上端までの溝深さｔは０．６８ｍｍとして、底部３１の溝角度は９０°とする。

かかる構成においても、底部３１の断面形状は、Ｖ字形状に構成されているため、ワイヤー４０に力が加えられると、ワイヤー４０は底部３１の最深部に向かって位置決めされ、正確な位置決めを行うことができる。また、底部３１の上端部までの溝深さｔをワイヤー直径の３〜５倍とし、等幅部３２の溝幅をワイヤー直径の１．１〜１．５倍とすれば、等幅部３２が壁として機能し、実施例１と同様に、ワイヤー外れを防止することができるとともに、ワイヤーブレを抑制することができる。

なお、実施例２に係る溝付きローラー１１は、溝３０が導入部を有しないため、実施例１に係る溝付きローラー１０よりもワイヤー４０の装着が困難になることが予測されるが、例えば、等幅部３２の溝幅を上限のワイヤー直径の１．５倍付近に設定することにより、ワイヤー４０の装着自体も容易に行うことができる。

このように、Ｖ字断面形状の底部３１と、等幅断面形状の等幅部３２のみで構成された溝３０を有する溝付きローラー１１であっても、溝３０の各部の寸法と形状を適切に構成することにより、ワイヤー外れを抑制し、位置決めを高精度に行うとともに、ワイヤー４０の溝３０への装着を困難無く行うことができる。

また、実施例２に係る溝付きローラー１１は、図１で示したマルチワイヤーソー１００にそのまま適用することができる。

このように、実施例２に係る溝付きローラー１１及びこれを用いたワイヤーソーによれば、簡素な溝３０の構成を採用しつつ、ワイヤー外れを低減し、ワイヤー４０の位置決めを高精度に行うことができる。また、溝幅を適切に設定することにより、ワイヤー４０の溝３０への巻き付けも実施例１と同様に容易に行うことができる。

このように、実施例１及び実施例２に係る溝付きワイヤー及びこれを用いたワイヤーソーによれば、ワイヤーブレが抑制されてワイヤーのピッチ精度が確保されるとともに、ワイヤーが溝から外れることを防止することができる。また、ガイド溝へのワイヤー挿入が容易であることから、溝へのワイヤーの装着がし易い。更に、切断加工後に得られたウェハの厚さのバラツキ、およびウェハ面内の平行度等の加工精度に優れるため、作業者の工数削減やウェハ加工精度不良やウェハ製造コストを低減させることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

本発明は、半導体結晶、サファイア結晶等のインゴットを切断加工するワイヤーソーに利用することができる。

１０ 溝付きローラー
２０、３０ 溝
２１、３１ 底部
２２、３２ 等幅部
２３ 導入部
４０ ワイヤー
４１ 固定砥流
５０ リール
６０ ガイドローラー
７０ 切断用ブロック
８０ ダミー材
９０ 供給ノズル
１００ マルチワイヤーソー
１１０ 被加工物

Claims (9)

1. 外周面に複数のワイヤー張設用の溝が所定のピッチで形成されたワイヤーソー用の溝付きローラーであって、
   前記溝の断面形状は、Ｖ字形の底部と、該底部の上端から外周表面に向かって等幅に形成された等幅部とを有する形状であることを特徴とする溝付きローラー。
2. 前記等幅部は、前記外周表面まで到達している形状であることを特徴とする請求項１に記載の溝付きローラー。
3. 前記等幅部は、前記外周表面まで到達せず、
   前記等幅部の上端から前記外周表面に向かって溝幅が広くなるとともに前記外周表面に達する導入部を更に有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の溝付きローラー。
4. 前記導入部の溝角度は、６０〜９０°であることを特徴とする請求項３に記載の溝付きローラー。
5. 前記底部の溝角度は、４５〜９０°であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の溝付きローラー。
6. 前記溝の前記底部の上端までの深さは、ワイヤー直径の３〜５倍であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の溝付きローラー。
7. 前記等幅部の溝幅は、ワイヤー直径の１．１〜１．５倍であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の溝付きローラー。
8. 前記溝が形成された部分が、ウレタン樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の溝付きローラー。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の溝付きローラーを有し、
   該溝付きローラーにワイヤーを巻き付けてワイヤーを移動させるワイヤー移動機構と、
   被加工対象物を固定支持する固定支持部材と、を有することを特徴とするワイヤーソー。

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