JP2013233606A - ワイヤソー装置及び切断加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動型ワイヤソー装置を用いた切断加工において、切断用ワイヤの断線や切断用ワイヤの使用量の増大等を防止する。
【解決手段】複数のワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤ１１を走行させながら、切断用ワイヤ１１に被加工物Ｗを押し当てて被加工物Ｗに対して切断加工を行うワイヤソー装置において、ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂと共に切断用ワイヤ１１を揺動させるか、又は被加工物Ｗを揺動させる。被加工物Ｗの切断幅を２ｄ、揺動半径をｒ、揺動角度をθとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように揺動制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばシリコンインゴット等の被加工物を切断するワイヤソー装置及び切断加工方法に関する。

従来より、一般的に、シリコンインゴット等の被加工物（以下、ワークと称する）から薄板状のウェーハを切り出す手段としてワイヤソー装置が用いられている。ワイヤソー装置においては、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、切断用ワイヤにワークを押し当てることによって、複数箇所でワークを同時に切断している。

また、例えば、特許文献１に開示されているワイヤソー装置においては、ワイヤガイド（ワークローラ）によって切断用ワイヤを走行させると同時にワイヤガイドと共に切断用ワイヤを揺動させながら、ワークに対して切断加工を行っている。このようにすると、切断用ワイヤを揺動させない場合と比較して、ワークと切断用ワイヤとの接触距離が短くなるため、研削力を増大させて切断速度を増大させることができると共に切り粉の排出性を向上させて加工精度を向上させることができる。同様の効果は、ワークを揺動させながらワークの切断加工を行うタイプのワイヤソー装置（例えば特許文献２参照）においても得ることができる。

特開平０１−１７１７５３号公報 特開平０８−８５０５３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているワイヤソー装置においては、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ワイヤガイド（ワークローラ）１０１と共に切断用ワイヤ１０２を揺動させながら、切断用ワイヤ１０２にワークＷを押し当てていくと、ワークＷの加工形状は略Ｖ字になる。すなわち、ワークＷと切断用ワイヤ１０２との接触箇所（正確には接触箇所の中央）は、ワイヤガイド１０１間の中心（以下、軸間中心という）に対して左右に移動する。ここで、切断用ワイヤ１０２によるワークＷの切断加工時には、切断用ワイヤ１０２はワークＷとの接触点（つまりワークＷの加工点）で若干撓むため、前述のように、ワークＷの加工点がワイヤガイド１０１間を移動すると、次のような問題が生じる。

すなわち、ワークＷの加工点が軸間中心に位置していない場合、ワークＷの加工点の左右で切断用ワイヤ１０２の張力に差が生じてしまう。このため、ワークＷの加工点の移動に伴い、ワイヤガイド１０１間で切断用ワイヤ１０２の伸縮が頻繁に起こる結果、切断用ワイヤ１０２の消耗が促進されるので、切断用ワイヤ１０２が断線したり、又は切断用ワイヤ１０２の使用量が増大したりするという問題が生じる。

尚、このような問題は、特許文献１に開示されているような切断用ワイヤ（つまりワイヤガイド）を揺動させるタイプのワイヤソー装置のみならず、特許文献２に開示されているようなワークを揺動させるタイプのワイヤソー装置においても生じる。

前記に鑑み、本発明は、揺動型ワイヤソー装置を用いた切断加工において、切断用ワイヤの断線や切断用ワイヤの使用量の増大等を防止できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するために、本願発明者らは種々の検討を重ねた結果、切断用ワイヤを揺動させるタイプのワイヤソー装置（以下、ワイヤ揺動型ワイヤソー装置という）においても、ワークを揺動させるタイプのワイヤソー装置（以下、ワーク揺動型ワイヤソー装置という）においても、ワークの切断幅を２ｄ、揺動半径をｒ、揺動角度をθとして、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように揺動手段を制御することによって、ワークＷの加工点を実質的に軸間中心に位置させることができることを見出した。これにより、いずれの揺動型ワイヤソー装置を用いた切断加工においても、切断用ワイヤの断線や切断用ワイヤの使用量の増大等を防止できることとなった。

また、本願発明者らは、θ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）の条件でも、例えばワーク保持手段の移動制御によりワークと切断用ワイヤとの接触長を制御することによって、ワークＷの加工点を実質的に軸間中心に位置させることができることを見出した。

ところで、揺動手段の負荷や切断用ワイヤとワークとの干渉領域を小さくするためには、揺動角度θはできるだけ小さいことが好ましいが、例えばθ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）の条件で、揺動角度θを小さくしようとすると、揺動半径ｒを大きくする必要がある。ところが、特許文献１に開示されているような従来のワイヤ揺動型ワイヤソー装置は、そもそも揺動半径ｒを大きくすることができない構成となっている。また、特許文献２に開示されているような従来のワーク揺動型ワイヤソー装置において揺動半径ｒを大きくしようとすると、ワークＷを揺動させるためのアームが長くなってしまい、ワイヤソー装置が大型化・複雑化してしまうという別の問題が生じる。

そこで、本願発明者らはさらなる検討を重ねた結果、装置の大型化・複雑化を回避しつつ所望の揺動半径ｒが得られる新規なワイヤソー装置として、ワイヤガイド又はワークの保持手段を円弧往復させるＲガイドを持つ揺動手段を備えたワイヤソー装置を想到した。

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであって、本発明に係る第１のワイヤソー装置は、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させるか、又は前記被加工物を揺動させる揺動手段と、前記被加工物の切断幅を２ｄ、前記揺動手段による揺動半径をｒ、前記揺動手段による揺動角度をθとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動手段を制御する制御手段とを備えている。

本発明に係る第１のワイヤソー装置によると、ワイヤガイドと共に切断用ワイヤを揺動させるか又は被加工物を揺動させる揺動手段を、被加工物の切断幅を２ｄ、揺動半径をｒ、揺動角度をθとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように制御する制御手段を備えている。このため、被加工物の加工点を実質的に軸間中心（ワイヤガイド間の中心）に位置させることができるので、該加工点の左右で切断用ワイヤの張力に差が生じる事態を回避できる。従って、切断加工中における切断用ワイヤの伸縮ひいては切断用ワイヤの消耗を抑制できるので、切断用ワイヤの断線や切断用ワイヤの使用量の増大等を防止することができる。また、被加工物の加工点を軸間中心に位置させることによって、被加工物を常に一定の条件で加工することができるので、加工精度を向上させることができる。

本発明に係る第１のワイヤソー装置において、前記揺動手段は、前記揺動半径ｒを一定に保持しつつ、前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させてもよい。このようにすると、前述の効果を奏するワイヤ揺動型ワイヤソー装置を構成することができる。また、この場合、前記揺動手段は、前記ワイヤガイドの保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含んでいてもよい。このようにすると、装置の大型化・複雑化を回避しつつ揺動半径ｒを大きくして揺動角度θを小さくすることができるので、揺動手段の負荷や切断用ワイヤと被加工物との干渉領域を小さくすることができる。

本発明に係る第１のワイヤソー装置において、前記揺動手段は、前記被加工物を揺動させ、前記制御手段は、前記被加工物に対する切断加工の進行に伴って前記揺動半径ｒを小さくすると共に該揺動半径ｒの変化に応じて前記揺動角度θを大きくしてもよい。このようにすると、前述の効果を奏するワーク揺動型ワイヤソー装置を構成することができる。また、この場合、前記揺動手段は、前記被加工物の保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含んでいてもよい。このようにすると、装置の大型化・複雑化を回避しつつ揺動半径ｒを大きくして揺動角度θを小さくすることができるので、揺動手段の負荷や切断用ワイヤと被加工物との干渉領域を小さくすることができる。

本発明に係る第１のワイヤソー装置において、前記制御手段は、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動手段を制御すると共に、前記切断用ワイヤを、前記被加工物の加工形状である円弧に点接触させてもよい。このようにすると、前述の効果を確実に得ることができる。

本発明に係る第１のワイヤソー装置において、前記制御手段は、θ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動手段を制御すると共に、前記被加工物の加工形状である円弧の半径をＲ_enc として、前記切断用ワイヤと前記被加工物との接触長Ｌを２Ｒ_enc （ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）−θ）に制御してもよい。このようにすると、前述の効果を確実に得ることができる。

本発明に係る第２のワイヤソー装置は、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させる揺動手段を備え、前記揺動手段は、前記ワイヤガイドの保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含む。

本発明に係る第２のワイヤソー装置によると、ワイヤガイドを揺動させる揺動手段が、ワイヤガイドの保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含む。このため、装置の大型化・複雑化を回避しつつ揺動半径ｒを大きくして揺動角度θを小さくできるので、揺動手段の負荷や切断用ワイヤと被加工物との干渉領域を小さくすることができる。

本発明に係る第３のワイヤソー装置は、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、前記被加工物を揺動させる揺動手段を備え、前記揺動手段は、前記被加工物の保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含む。

本発明に係る第３のワイヤソー装置によると、被加工物を揺動させる揺動手段が、被加工物の保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含む。このため、装置の大型化・複雑化を回避しつつ揺動半径ｒを大きくして揺動角度θを小さくできるので、揺動手段の負荷や切断用ワイヤと被加工物との干渉領域を小さくすることができる。

本発明に係る切断加工方法は、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行う切断加工方法であって、前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させるか、又は前記被加工物を揺動させ、前記被加工物の切断幅を２ｄ、前記揺動の半径及び角度をそれぞれｒ及びθとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動角度θを制御する。

本発明に係る切断加工方法によると、ワイヤガイドと共に切断用ワイヤを揺動させるか又は被加工物を揺動させる際に、被加工物の切断幅を２ｄ、揺動半径をｒ、揺動角度をθとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように揺動角度θを制御する。このため、被加工物の加工点を実質的に軸間中心（ワイヤガイド間の中心）に位置させることができるので、該加工点の左右で切断用ワイヤの張力に差が生じる事態を回避できる。従って、切断加工中における切断用ワイヤの伸縮ひいては切断用ワイヤの消耗を抑制できるので、切断用ワイヤの断線や切断用ワイヤの使用量の増大等を防止することができる。また、被加工物の加工点を軸間中心に位置させることによって、被加工物を常に一定の条件で加工することができるので、加工精度を向上させることができる。

本発明に係る切断加工方法において、前記揺動半径ｒを一定に保持しつつ、前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させてもよい。このようにすると、ワイヤ揺動型ワイヤソー装置において、前述の効果を得ることができる。

本発明に係る切断加工方法において、前記被加工物に対する切断加工の進行に伴って前記揺動半径ｒを小さくすると共に該揺動半径ｒの変化に応じて前記揺動角度θを大きくしながら、前記被加工物を揺動させてもよい。このようにすると、ワーク揺動型ワイヤソー装置において、前述の効果を得ることができる。

本発明に係る切断加工方法において、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動角度θを制御すると共に、前記切断用ワイヤを、前記被加工物の加工形状である円弧に点接触させてもよい。このようにすると、前述の効果を確実に得ることができる。

本発明に係る切断加工方法において、θ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動角度θを制御すると共に、前記被加工物の加工形状である円弧の半径をＲ_enc として、前記切断用ワイヤと前記被加工物との接触長Ｌを２Ｒ_enc （ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）−θ）に制御してもよい。このようにすると、前述の効果を確実に得ることができる。

本発明によると、揺動型ワイヤソー装置を用いた切断加工において、切断用ワイヤの断線や切断用ワイヤの使用量の増大等を防止することができる。

図１は、第１の実施形態に係るワイヤソー装置の概略構成を示す図である。 図２は、第１の実施形態に係る切断加工方法を示す図である。 図３は、第１の実施形態の変形例に係るワイヤソー装置の概略構成を示す図である。 図４は、第２の実施形態に係るワイヤソー装置の概略構成を示す図である。 図５は、第２の実施形態に係る切断加工方法を示す図である。 図６（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、第２の実施形態に係る切断加工方法における切断加工の開始時点及び終了時点の様子を示す図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係る切断加工方法においてθ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）の条件で揺動を行っている様子を示す図である。 図８は、比較例に係る切断加工方法においてθ＞ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）の条件で揺動を行っている様子を示す図である。 図９（ａ）は、揺動半径ｒと揺動角度θ（ワークＷの揺動幅）との関係を示す図であり、図９（ｂ）は、揺動角度θが４５度の時のワークＷと切断用ワイヤとの干渉領域を示す図である。 図１０（ａ）は、円柱状のワークＷを切断対象とする場合の本発明に係る切断加工方法を示す図であり、図１０（ｂ）は、円柱状のワークＷの切断幅２ｄ（半幅ｄ）の算出方法を説明する図である。 図１１（ａ）は、従来のワイヤソー装置の問題点を示す図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の要部を拡大して示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るワイヤソー装置及び切断加工方法について、図面を参照ながら説明する。

図１は、本実施形態に係るワイヤソー装置、具体的には、ワイヤ揺動型ワイヤソー装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係るワイヤソー装置は、例えば半導体装置や太陽電池等の製造に用いられるシリコンインゴット等の被加工物（以下、ワークＷと称する）を複数箇所で同時に薄板状ウェーハに切断するために使用される。

図１に示すように、並列配置された２つのワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂが、上方が開放されたワイヤガイド支持部材１２に回転自在に取り付けられている。各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂの回転軸は、対応する駆動モータ（図示省略）の出力軸に連結されており、該駆動モータの回転駆動により、各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂはその水平軸心周りに回転する。各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂには、ワークＷを切断するための１本のワイヤ（以下、切断用ワイヤ１１と称する）が各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂの水平軸心方向に所定のピッチで螺旋状に巻き付けられている。また、ワイヤガイド支持部材１２は、その下方に配置された円弧状のガイドレール（以下、Ｒガイドという）１３に円弧往復可能に取り付けられている。ここで、ワイヤガイド支持部材１２は、Ｒガイド１３上を移動するための動力機構を有している。これにより、切断用ワイヤ１１は各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂと共に、位置Ｃを中心とする半径ｒ、角度θの揺動をする。

また、図１に示すように、各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂの中心（回転軸）を結ぶ線上の中点（つまり軸間中心）の上方には、各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂに巻き付けられた切断用ワイヤ１１と対向するようにワーク保持部材１４が配設されており、ワーク保持部材１４の下端にワークＷが保持されている。ワーク保持部材１４は、ワークＷを切断送りするためのワーク昇降用モータを有している。すなわち、当該モータによりワーク保持部材１４が下降してワークＷが切断用ワイヤ１１に押し付けられると、ワークＷの複数箇所で同時にウェーハ切り出しが行われる。

尚、図示は省略しているが、切断用ワイヤ１１の一端側は、ワイヤガイド１０Ａの外側に位置しており、複数の円盤状プーリに案内されながらワイヤ供給装置まで延びている。また、切断用ワイヤ１１の他端側は、ワイヤガイド１０Ｂの外側に位置しており、複数の円盤状プーリに案内されながらワイヤ巻取装置まで延びている。ここで、切断用ワイヤ１１の張力を制御するために、各ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂの外側に配置されている円盤状プーリの１つにテンションアームが取り付けられていてもよい。

また、図示は省略しているが、本実施形態のワイヤソー装置は、ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂの駆動モータ、ワイヤガイド支持部材１２の動力機構、ワーク保持部材１４のワーク昇降用モータ、ワイヤ供給装置並びにワイヤ巻取装置等を制御する制御装置を有している。該制御装置は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び制御プログラムが格納されたメモリ等を備えており、切断用ワイヤ１１の送り出し及び巻き取りを交互に繰り返しながら切断用ワイヤ１１の新線部分が順次繰り出されるように、ワイヤガイド１０Ａ及び１０Ｂの駆動モータ並びにワイヤ供給装置及びワイヤ巻取装置を制御したり、ワーク保持部材１４が昇降するようにワーク昇降用モータを制御している。

本実施形態の特徴は、前記制御装置が、ワークＷの切断幅を２ｄ、ワイヤガイド支持部材１２（つまり切断用ワイヤ１１）の揺動半径及び揺動角度をそれぞれｒ、θとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように、ワイヤガイド支持部材１２の動力機構を制御していることである。

図２は、本実施形態の揺動切断加工を模式的に示す図である。ここで、簡単のため、ワークＷは、切断送り方向に常に一定の切断幅２ｄ（半幅ｄ）を有しているものとする。また、切断用ワイヤ１１の揺動角度θは、ちょうどａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）（＝θ₀ ）に等しく設定されているものとする。

図２に示す揺動切断加工では、ワークＷの加工形状は揺動半径ｒ（一定）に等しい半径を持つ円弧になる。言い換えると、揺動する切断用ワイヤ１１の延びる方向が常にワークＷの加工形状である円弧の接線方向となる。これにより、切断用ワイヤ１１とワークＷとを点接触させながら、つまり、切断用ワイヤ１１とワークＷとの接触距離を最小化しながら、切断加工を行うことができるので、研削力を増大させて切断速度を増大させることができると共に切り粉の排出性を向上させて加工精度を向上させることができる。

ここで、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように揺動制御を行うと、ワークＷの加工点を常に軸間中心（ワイヤガイド１０Ａ、１０Ｂ間の中心）に位置させることができる。例えば、図２において、ワイヤガイド１０Ａ、１０Ｂ間の切断用ワイヤ１１（以下、単に切断用ワイヤ１１という）が最も左に振れている場合、切断用ワイヤ１１の中央がワークＷの左端加工点と接触し、切断用ワイヤ１１が最も右に振れている場合、切断用ワイヤ１１の中央がワークＷの右端加工点と接触し、切断用ワイヤ１１が水平位置にある場合、切断用ワイヤ１１の中央がワークＷの中央加工点と接触する。このため、ワークＷの加工点の左右で切断用ワイヤ１１の張力に差が生じる事態を回避でき、それにより、切断加工中における切断用ワイヤ１１の伸縮ひいては切断用ワイヤ１１の消耗を抑制できるので、切断用ワイヤ１１の断線や切断用ワイヤ１１の使用量の増大等を防止することができる。また、ワークＷの加工点を常に軸間中心に位置させることによって、ワークＷを常に一定の条件で加工することができるので、加工精度を向上させることができる。

尚、本実施形態において、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように揺動制御を行ったが、これに代えて、θ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）の条件で揺動を行ってもよい。この場合、ワークＷの移動制御つまりワーク保持部材１４の移動制御によりワークＷと切断用ワイヤ１１との接触長を制御することによって、具体的には、ワークＷの加工形状である円弧の半径をＲ_enc （つまり揺動半径ｒ）として、切断用ワイヤ１１とワークＷとの接触長Ｌを２Ｒ_enc （ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）−θ）に制御することによって、ワークＷの加工点（つまり切断用ワイヤ１１との接触箇所の中央）を実質的に軸間中心に位置させることができる（後述する図７（ａ）、（ｂ）参照）。これにより、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たす揺動制御と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態において、また、ワイヤガイド支持部材１２を、その下方に配置したＲガイド１３に取り付けたが、これに代えて、図３に示すように、ワイヤガイド支持部材１２を、その上方に配置したＲガイド１３に取り付けてもよい。また、ワイヤガイド支持部材１２を揺動させるために、Ｒガイド１３に代えて、例えば揺動円板や揺動アーム等を用いてもよい。但し、本実施形態のように、Ｒガイド１３を用いた方が、揺動円板や揺動アーム等を用いた場合と比べて、装置の大型化・複雑化を回避しつつ揺動半径ｒを大きくして揺動角度θを小さくできるので、揺動手段の負荷や切断用ワイヤ１１とワークＷとの干渉領域を小さくすることができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るワイヤソー装置及び切断加工方法について、図面を参照ながら説明する。

図４は、本実施形態に係るワイヤソー装置、具体的には、ワーク揺動型ワイヤソー装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係るワイヤソー装置は、例えば半導体装置や太陽電池等の製造に用いられるシリコンインゴット等の被加工物（以下、ワークＷと称する）を複数箇所で同時に薄板状ウェーハに切断するために使用される。

図４に示すように、２つのワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂが並列配置されている。各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂの回転軸は、対応する駆動モータ（図示省略）の出力軸に連結されており、該駆動モータの回転駆動により、各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂはその水平軸心周りに回転する。各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂには、ワークＷを切断するための１本のワイヤ（以下、切断用ワイヤ２１と称する）が各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂの水平軸心方向に所定のピッチで螺旋状に巻き付けられている。

また、図４に示すように、各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂの中心（回転軸）を結ぶ線上の中点（つまり軸間中心）の上方には、各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂに巻き付けられた切断用ワイヤ２１と対向するようにワーク保持部材２４が配設されており、ワーク保持部材２４の下端にワークＷが保持されている。また、ワーク保持部材２４は、その上方に配置された円弧状のガイドレール（以下、Ｒガイドという）２５に円弧往復可能に取り付けられている。ここで、ワーク保持部材２４は、Ｒガイド２５上を移動するための動力機構を有している。これにより、ワークＷは、位置Ｃを中心とする半径ｒ、角度θの揺動をする。また、ワークＷを切断送りするために、ワーク保持部材２４はＲガイド２５と共に昇降可能に構成されている。すなわち、ワーク保持部材２４が下降してワークＷが切断用ワイヤ２１に押し付けられると、ワークＷの複数箇所で同時にウェーハ切り出しが行われる。

尚、図示は省略しているが、切断用ワイヤ２１の一端側は、ワイヤガイド２０Ａの外側に位置しており、複数の円盤状プーリに案内されながらワイヤ供給装置まで延びている。また、切断用ワイヤ２１の他端側は、ワイヤガイド２０Ｂの外側に位置しており、複数の円盤状プーリに案内されながらワイヤ巻取装置まで延びている。ここで、切断用ワイヤ２１の張力を制御するために、各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂの外側に配置されている円盤状プーリの１つにテンションアームが取り付けられていてもよい。

また、図示は省略しているが、本実施形態のワイヤソー装置は、ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂの駆動モータ、ワーク保持部材２４の動力機構及び昇降機構、ワイヤ供給装置並びにワイヤ巻取装置等を制御する制御装置を有している。該制御装置は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び制御プログラムが格納されたメモリ等を備えており、切断用ワイヤ２１の送り出し及び巻き取りを交互に繰り返しながら切断用ワイヤ２１の新線部分が順次繰り出されるように、ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂの駆動モータ並びにワイヤ供給装置及びワイヤ巻取装置を制御したり、ワーク保持部材２４の昇降機構を制御している。

本実施形態の特徴は、前記制御装置が、ワークＷの切断幅を２ｄ、ワーク保持部材２４（つまりワークＷ）の揺動半径及び揺動角度をそれぞれｒ、θとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように、ワーク保持部材２４の動力機構を制御していることである。

図５は、本実施形態の揺動切断加工を模式的に示す図である。ここで、簡単のため、ワークＷは、切断送り方向に常に一定の切断幅２ｄ（半幅ｄ）を有しているものとする。また、ワークＷの揺動角度θは、ちょうどａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）（＝θ₀ ）に等しく設定されているものとする。

図５に示す揺動切断加工では、ワークＷの加工形状は揺動半径ｒに等しい半径を持つ円弧になる。言い換えると、切断用ワイヤ２１の延びる方向が常にワークＷの加工形状である円弧の接線方向となる。これにより、切断用ワイヤ２１とワークＷとを点接触させながら、つまり、切断用ワイヤ２１とワークＷとの接触距離を最小化しながら、切断加工を行うことができるので、研削力を増大させて切断速度を増大させることができると共に切り粉の排出性を向上させて加工精度を向上させることができる。

ここで、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように揺動制御を行うと、ワークＷの加工点を常に軸間中心（ワイヤガイド２０Ａ、２０Ｂ間の中心）に位置させることができる。例えば、図５において、ワークＷが最も左に振れている場合、ワイヤガイド２０Ａ、２０Ｂ間の切断用ワイヤ２１（以下、単に切断用ワイヤ２１という）の中央がワークＷの右端加工点と接触し、ワークＷが最も右に振れている場合、切断用ワイヤ２１の中央がワークＷの左端加工点と接触し、ワークＷ中央が軸間中心にある場合、切断用ワイヤ２１の中央がワークＷの中央加工点と接触する。このため、ワークＷの加工点の左右で切断用ワイヤ２１の張力に差が生じる事態を回避でき、それにより、切断加工中における切断用ワイヤ２１の伸縮ひいては切断用ワイヤ２１の消耗を抑制できるので、切断用ワイヤ２１の断線や切断用ワイヤ２１の使用量の増大等を防止することができる。また、ワークＷの加工点を常に軸間中心に位置させることによって、ワークＷを常に一定の条件で加工することができるので、加工精度を向上させることができる。

ところで、図４に示す本実施形態のワーク揺動型ワイヤソー装置による揺動切断加工では、ワークＷを切断送りするためにワーク保持部材２４をＲガイド２５と共に下降させるので、切断加工の進行に伴って揺動半径ｒが小さくなる。

図６（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、切断加工の開始時点及び終了時点での本実施形態の揺動切断加工の様子を模式的に示している。図６（ａ）に示すように、切断加工の開始時点では、揺動半径ｒが最大値ｒ_max となり、このとき、ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）で決まるθ₀ は最小値ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ_max ）（＝θ_min ）になる。また、図６（ｂ）に示すように、切断加工の終了時点では、揺動半径ｒが最小値ｒ_min となり、このとき、ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）で決まるθ₀ は最大値ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ_min ）（＝θ_max ）になる。すなわち、本実施形態の揺動切断加工では、ワークＷの切断加工の進行に伴う揺動半径ｒの減少に応じて、θ₀ が最小値θ_min から最大値θ_maxまで変化するので、揺動半径ｒの変化に応じて揺動角度θを大きくしていってもよい。

尚、本実施形態において、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように揺動制御を行ったが、これに代えて、例えば図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、θ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）（＝θ₀ ）の条件で揺動を行ってもよい。ここで、図７（ａ）及び（ｂ）は、切断加工の終了時点（つまりｒ＝ｒ_min 、θ₀ ＝θ_max ）での様子を示している。この場合、ワークＷの移動制御つまりワーク保持部材２４の移動制御によりワークＷと切断用ワイヤ２１との接触長を制御することによって、具体的には、ワークＷの加工形状である円弧の半径をＲ_enc （つまり揺動半径ｒ）として、切断用ワイヤ２１とワークＷとの接触長Ｌを２Ｒ_enc （θ₀ −θ）に制御することによって、ワークＷの加工点（つまり切断用ワイヤ２１との接触箇所の中央）を実質的に軸間中心に位置させることができる。これにより、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たす揺動制御と同様の効果を得ることができる。

一方、例えば図８に示すように、θ＞ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）（＝θ₀ ）の条件で揺動を行うと、ワークＷの加工点を軸間中心に位置させることができなくなり、ワークＷの加工点の左右で切断用ワイヤ２１の張力に差が生じてしまう。その結果、切断加工中に切断用ワイヤ２１の伸縮ひいては切断用ワイヤ２１の消耗が生じるので、切断用ワイヤ２１の断線や切断用ワイヤ２１の使用量の増大等の問題が起こってくる。ここで、図８は、切断加工の終了時点（つまりｒ＝ｒ_min 、θ₀ ＝θ_max ）での様子を示している。

また、本実施形態において、ワークＷ（つまりワーク保持部材２４）を揺動させるために、Ｒガイド２５を用いたが、これに代えて、例えば揺動円板や揺動アーム等を用いてもよい。但し、本実施形態のように、Ｒガイド２５を用いた方が、揺動円板や揺動アーム等を用いた場合と比べて、装置の大型化・複雑化を回避しつつ揺動半径ｒを大きくして揺動角度θを小さくできるので、揺動手段の負荷や切断用ワイヤ２１とワークＷとの干渉領域を小さくすることができる。

図９（ａ）は、揺動半径ｒと揺動角度θ（ワークＷの揺動幅）との関係を示しており、図９（ｂ）は、揺動角度θが４５度の時のワークＷと切断用ワイヤ２１との干渉領域を示している。図９（ａ）に示すように、揺動半径ｒ（つまり軸間中心における切断用ワイヤ２１と揺動中心Ｃとの距離）が小さくなるに従って、揺動角度θつまりワークＷの揺動幅が大きくなるので、例えば各ワイヤガイド２０Ａ及び２０Ｂ間の距離を長くする等の装置の大型化が避けられなくなる。また、揺動角度θが大きくなると、それに伴って切断用ワイヤ２１とワークＷとの干渉領域が大きくなり、切断加工時にトラブルが生じやすくなる。例えば、図９（ｂ）に示すように、揺動角度θが４５度の場合で、ワークＷと切断用ワイヤ２１との干渉領域は２７０度にも達してしまう。

尚、以上に説明した各実施形態においては、ワークＷを軸間中心において切断用ワイヤと点接触又は線接触させながら、ワークＷの加工を行った。ここで、ワークＷの加工位置（つまり切断位置）の変化又は切断用ワイヤ若しくはワークＷの揺動状態の変化等に応じて、ワークＷと切断用ワイヤとの接触長を変化させてもよい。

また、本発明が適用可能なワイヤソー装置は、図１、図３又は図４に示すワイヤソー装置に限られるものではなく、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させると同時にワイヤガイドと共に切断用ワイヤを揺動させるか又は被加工物を揺動させながら、切断用ワイヤに被加工物を押し当てて切断加工を行うタイプのワイヤソー装置に本発明は広く適用可能である。例えば、図１、図３又は図４に示すワイヤソー装置には２つのワイヤガイドが用いられていたが、３つ以上のワイヤガイドを備えたワイヤソー装置にも本発明は適用可能である。また、例えば放電式のワイヤソー装置等にも本発明は適用可能である。

また、本発明が適用可能なワークＷの形状（加工前の形状）も特に限定されるものではなく、例えば円柱状や直方体状等の様々な形状を持つワークＷに本発明は広く適用可能である。但し、前述の各実施形態では、簡単のため、切断送り方向に常に一定の切断幅を有するワークＷ（例えば直方体状のワークＷ）を切断対象としたが、例えば円柱状のワークＷを切断対象とする場合、図１０（ａ）に示すように、ワークＷの切断送りに伴って切断幅２ｄ（半幅ｄ）は変化するので、それを考慮して、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように、揺動角度θを制御する必要がある。すなわち、ワークＷに対する切断加工の開始直後は、切断幅は小さいので、揺動角度θも小さく設定する。その後、切断幅が徐々に大きくなるのに合わせて、揺動角度θを大きく設定することができ、最大切断幅（円柱の直径）のときに揺動角度θを最大にすることができる。その後、切断加工の終了まで切断幅が徐々に小さくなるのに合わせて、揺動角度θも小さく設定する必要がある。尚、図１０（ｂ）に示すように、円柱の半径をＲ、軸間中心における円柱の中心と加工点までの距離をｌとして、切断幅２ｄの半幅ｄは√（Ｒ² −ｌ² ）と表すことができる。すなわち、前述の制御装置により、軸間中心における円柱の中心と加工点までの距離ｌをモニタリングすることにより、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように、揺動角度θを制御することが可能となる。

また、本発明が適用可能なワークＷの材質もシリコン等に特に限定されるものではないが、ワークＷが例えばサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の難削材からなる場合には、切断用ワイヤとして固定砥粒ワイヤを用いることが好ましい。切断用ワイヤとして固定砥粒ワイヤを用いる場合、砥粒を含むスラリーに代えて、冷却用の水等を供給しながら切断加工を行ってもよい。

本発明は、例えばシリコンインゴット等の被加工物を切断するワイヤソー装置及び切断加工方法に好適である。

１０Ａ、１０Ｂ ワイヤガイド
１１ 切断用ワイヤ
１２ ワイヤガイド支持部材
１３ Ｒガイド
１４ ワーク保持部材
２０Ａ、２０Ｂ ワイヤガイド
２１ 切断用ワイヤ
２４ ワーク保持部材
２５ Ｒガイド
Ｗ ワーク

Claims (14)

1. 複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、
   前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させるか、又は前記被加工物を揺動させる揺動手段と、
   前記被加工物の切断幅を２ｄ、前記揺動手段による揺動半径をｒ、前記揺動手段による揺動角度をθとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とするワイヤソー装置。
2. 請求項１に記載のワイヤソー装置において、
   前記揺動手段は、前記揺動半径ｒを一定に保持しつつ、前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させることを特徴とするワイヤソー装置。
3. 請求項２に記載のワイヤソー装置において、
   前記揺動手段は、前記ワイヤガイドの保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含むことを特徴とするワイヤソー装置。
4. 請求項１に記載のワイヤソー装置において、
   前記揺動手段は、前記被加工物を揺動させ、
   前記制御手段は、前記被加工物に対する切断加工の進行に伴って前記揺動半径ｒを小さくすると共に該揺動半径ｒの変化に応じて前記揺動角度θを大きくすることを特徴とするワイヤソー装置。
5. 請求項４に記載のワイヤソー装置において、
   前記揺動手段は、前記被加工物の保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含むことを特徴とするワイヤソー装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のワイヤソー装置において、
   前記制御手段は、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動手段を制御すると共に、前記切断用ワイヤを、前記被加工物の加工形状である円弧に点接触させることを特徴とするワイヤソー装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のワイヤソー装置において、
   前記制御手段は、θ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動手段を制御すると共に、前記被加工物の加工形状である円弧の半径をＲ_enc として、前記切断用ワイヤと前記被加工物との接触長Ｌを２Ｒ_enc （ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）−θ）に制御することを特徴とするワイヤソー装置。
8. 複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、
   前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させる揺動手段を備え、
   前記揺動手段は、前記ワイヤガイドの保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含むことを特徴とするワイヤソー装置。
9. 複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、
   前記被加工物を揺動させる揺動手段を備え、
   前記揺動手段は、前記被加工物の保持手段と、該保持手段を円弧往復させるＲガイドとを含むことを特徴とするワイヤソー装置。
10. 複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行う切断加工方法であって、
    前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させるか、又は前記被加工物を揺動させ、
    前記被加工物の切断幅を２ｄ、前記揺動の半径及び角度をそれぞれｒ及びθとして、θ≦ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動角度θを制御することを特徴とする切断加工方法。
11. 請求項１０に記載の切断加工方法において、
    前記揺動半径ｒを一定に保持しつつ、前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させることを特徴とする切断加工方法。
12. 請求項１０に記載の切断加工方法において、
    前記被加工物に対する切断加工の進行に伴って前記揺動半径ｒを小さくすると共に該揺動半径ｒの変化に応じて前記揺動角度θを大きくしながら、前記被加工物を揺動させることを特徴とする切断加工方法。
13. 請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の切断加工方法において、
    θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動角度θを制御すると共に、前記切断用ワイヤを、前記被加工物の加工形状である円弧に点接触させることを特徴とする切断加工方法。
14. 請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の切断加工方法において、
    θ＜ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）を満たすように前記揺動角度θを制御すると共に、前記被加工物の加工形状である円弧の半径をＲ_enc として、前記切断用ワイヤと前記被加工物との接触長Ｌを２Ｒ_enc （ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｒ）−θ）に制御することを特徴とする切断加工方法。

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