JP2015009347A - ワイヤソー - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤの異常を検出することのできるワイヤソーを提供する。【解決手段】ワイヤソーは、ガイドローラ２ａ，２ｂに形成された溝に導体のワイヤ３を巻き、前記ガイドローラの回転により前記ワイヤを走行させ、走行状態の前記ワイヤを用いて加工物をスライスするワイヤソーにおいて、前記ガイドローラに磁路を形成する励磁コイル２２と、前記ワイヤに生じた誘導電流の変化に応じた信号を出力するセンサ２７と、前記センサの出力に基づいて前記ワイヤの異常を検出する制御部１９と、を備え、前記ワイヤは、前記磁路の周囲に巻かれる。【選択図】図２

Description

本開示は、ワイヤの異常を検出できるワイヤソーに関するものである。

シリコンブロックから、ウェハを加工する装置として、ワイヤソーが知られている。ワイヤソーにおいては、運転中にワイヤが断線する場合がある。

そこで、ワイヤの断線を検知できるワイヤソーとして、特許文献１に示すものが知られている。図５は、特許文献１に示された従来のワイヤソーを示す構成図である。従来のワイヤソーは、複数のガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ，２６Ａ，２６Ｂに巻回されたワイヤＷにより形成される複数のワイヤ列を備え、更に、磁界の変化に応じた電圧を出力する磁気センサ３８と、この磁気センサ３８から出力される電圧に基づきワイヤＷの断線の有無を判定するコントローラ４０とを備えている。複数のガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ，２６Ａ及び２６Ｂには、溝が形成され、これら溝にワイヤが収容されることで、複数のワイヤ列が構成される。

ワイヤＷが断線すると、その衝撃で断線部分が振り回され、これに伴い磁界が乱れで磁気センサ３８からの出力電圧が大きく変動し、その結果、コントローラ４０によりワイヤＷの断線が検出される。

従来のワイヤソーでは、ワイヤＷがピアノ線（鋼線）、つまり磁性体から構成されていることを利用し、磁気センサ３８を用いてワイヤＷの断線に伴う磁界の変化を電圧値として監視している。断線が発生すると、加工が中断され、ワイヤＷの張替えが行われると共に、新たな加工物が設置され、途中で加工の中断された加工物は、その全てが不良品として廃棄される。

特開２００８―１８３８０６号公報

ワイヤ断線の原因の１つに、図６に示すように、ガイドローラの溝からワイヤが外れて、１つの溝内で複数のワイヤが重なりあうダブルワイヤがある。この現象を検出できれば、断線を未然に防ぎ、加工が中断されて加工物が不良品となるのを防止できる。しかしながら、特許文献１の構成では、ダブルワイヤのようにワイヤの微小な変化に対しては感度が低く、これを検出することが困難であるといった課題を有している。

本開示は、前記従来の技術を用いた場合の課題を解決するものであり、断線の予兆となるダブルワイヤを検出することにより断線の発生を予防できるワイヤソーを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本開示のワイヤソーは、ガイドローラに形成された溝に導体のワイヤを巻き、前記ガイドローラの回転により前記ワイヤを走行させ、走行状態の前記ワイヤを用いて加工物をスライスするワイヤソーにおいて、前記ガイドローラに磁路を形成する励磁ユニットと、前記ワイヤに生じた誘導電流の変化に応じた信号を出力するセンサと、前記センサの出力に基づいて前記ワイヤの異常を検出する制御部と、を備え、前記ワイヤは、前記磁路の周囲に巻かれることを特徴とする。

以上のように、ガイドローラ上のワイヤに電磁誘導により誘導電流を流すことで、ワイヤに発生するダブルワイヤを検出でき、断線を未然に防ぐことができる。

本開示の実施の形態１におけるワイヤソーの全体構成図 本開示の実施の形態１におけるワイヤソーの要部の構成図 本開示の実施の形態１における磁気センサの測定ギャップと出力との関係を示す図 本開示の実施の形態２におけるワイヤソーの他の例の構成図 従来のワイヤソーの断線検出装置を示す構成図 ワイヤの溝飛び及びダブルワイヤの説明図

以下、本開示の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態におけるワイヤソーの全体構成図である。ワイヤソーは、加工室部１４、トラバーサ部１５、ダンサー部１６、送り軸駆動部１７と、それらの各機構部を制御する制御部１９からなる。

未使用のワイヤ３は、トラバーサ部１５にある供給側スプール６ａに巻き糸の如く規則正しく巻きつけられており、そこからワイヤ３の張力を制御するダンサー部１６、プーリ５ａを経て、加工室部１４に至る。加工室部１４においてワイヤ３は、ガイドローラ２に巻き掛けられる。本図では詳述しないが、ガイドローラ２は、円筒形状を有し、外周面に例えばウレタンゴムが貼り付けられ、そのウレタン面に、１００から２０００箇所にも及ぶ多条の溝が所定のピッチで円周方向に刻まれている。このガイドローラ２は、複数個、具体的には２〜４個程度配されている。また、ガイドローラ２は、主軸モータ１１の動作により回転し、ワイヤ３を走行させる。このガイドローラ２に所定の回数巻きつけられたワイヤ３は、プーリ５ｂ、ダンサー部１６を経て回収側スプール６ｂに巻き取られる。１本のワイヤ３が、各機構部を経由しながら途中で切れることなく繋がっている。なお、各機構部は、制御部１９からの信号によりサーボモータ等で高精度に同期制御されている。

ワイヤ３の加工動作は、制御部１９によって制御される。ワイヤソーによるスライス（加工）方式には固定砥粒方式と遊離砥粒方式がある。固定砥粒方式は、ダイヤモンド砥粒などをニッケルメッキやレジンボンドなどでワイヤに付着させて形成されたワイヤ３を高速で動作させ、クーラント（切削液）をかけながら、シリコンインゴットなどの加工物をウェハ状にスライスする方式である。一方、遊離砥粒方式は、砥粒と水やオイル等を懸濁したスラリを走行中のワイヤにかけながら、加工物を押し当てて、それにより加工物をスライスする方式である。

ここでは、固定砥粒方式におけるワイヤ３の動作を説明する。ワイヤ３を、加工中に一方向だけに動作させることは実用的でない。固定砥粒方式のワイヤ３は、ワイヤ３自体が細くなって強度が低下することが無いためである。そこで固定砥粒方式におけるワイヤ３を、交播運動しながら少しずつ繰り出していく方式が用いられる。具体的には、５００ｍ繰り出して、４９０ｍ戻すサイクルを繰り返しながら加工を進める。この場合、１サイクルの中で、ワイヤ３が、供給側スプール６ａから１０ｍ送り出され、回収側スプール６ｂに１０ｍｍ巻き取られる。この１サイクルの中で、一方向に動作している区間においては、ワイヤ３の速度を３００〜１５００ｍ／ｍｉｎで動作させる。送り軸駆動部１７の下に固定された加工物１を、走行中のワイヤ３に押し付ける。加工は、加工物１の上に貼り付けられたビーム７（接着のための捨て治具）を、ハーフカットするところまで進める。加工物１が太陽電池用単結晶シリコンの場合、例えば、分速度１ｍｍ程度となるように送り軸モータ１２を駆動して加工物１を下降させる。加工物１の大きさによって異なるが、加工が終了するまでに概ね２〜５時間要する。

通常、ワイヤ３は、ガイドローラ２に形成された溝の中に、それぞれ１本ずつ収納されるようにガイドローラ２に巻き掛けられ、この溝に案内されることにより所定の経路を走行する。しかし、走行における捩れや、加工負荷等により、ワイヤ３に、ダブルワイヤが発生する場合がある。

そこで、本実施の形態に係るワイヤソーでは、ワイヤ３に生じるダブルワイヤを検出可能とする工夫がなされる。ダブルワイヤを検出するための工夫点について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態において、ダブルワイヤを検出するためにワイヤソーに具備された構造の要部を示す構成図である。図１は、加工室部１４を水平方向から見た図であったが、加工室部１４を真上から見た図（加工物１、ビーム７、送り軸モータ１２の図示は省略）が図２である。ここでは、複数のガイドローラ２として、第１ガイドローラ２ａと第２ガイドローラ２ｂとを採用した状態を示す。

第１ガイドローラ２ａの近傍に、第１ガイドローラ２ａに磁界を印加して磁力線の経路（磁路）を形成するための励磁ユニット２１が配置される。すなわち、本実施の形態に係るワイヤソーには、第１ガイドローラ２ａに磁路を形成する励磁ユニット２１が設けられる。励磁ユニット２１は、励磁コイル２２、コア２３、交流電源２４で構成される。

励磁コイル２２は、例えば、芯線が銅線で周囲に絶縁被覆を施した電線を用い、コア２３に巻きつけて構成される。その巻き数は、第１ガイドローラ２ａの長さ、サイズ、材質、コア２３のサイズ、交流電源２４の出力などによって決定され、得たい磁界の大きさに応じて適宜設定する。

コア２３には、磁束を通しやすくするために透磁率の大きい材料を用いる。例えば、コア２３の材料としては、ケイ素鋼板、パーマロイ、フェライトが望ましい。

励磁コイル２２の両端に励磁電源である交流電源２４を接続し、励磁コイル２２に電流を印加することによって、励磁ユニット２１から磁界を発生させる。磁界の大きさは、交流電源２４の周波数、印加電流を変化させることによりコントロールされる。

励磁ユニット２１から発生した磁界により、第１ガイドローラ２ａを磁束が貫く。貫く磁束は、鉄系材料で形成されるスピンドル取り付け部材２６ａ，２６ｂ及び鉄系材料で形成されるスピンドル２５ａ，２５ｂを介して第１ガイドローら２ａに至る磁路を形成する。また、第１ガイドローラ２ａは、図示しない鉄系材料で形成される芯金を有し、この芯金を磁束が貫く。

コア２３に巻き数ｎ_１の励磁コイル２２を巻き、励磁コイル２２にＶ１の交流電圧を印加すると、励磁コイル２２に電流が流れ、磁束φ_０を生じる。ｎ_１、φ_０、Ｖ_１の関係は（１）式で表わされる。

励磁ユニット２１、スピンドル取り付け部材２６ａ、２６ｂ、スピンドル２５ａ、２５ｂ、第１ガイドローラ２ａで形成される磁気回路を貫く磁束により、第１ガイドローラ２ａに形成される複数のワイヤ列には誘導電圧Ｖ_２が誘起される。ここでは、ワイヤ３が第１ガイドローラ２ａに複数回巻かれたことで形成される複数のワイヤ列を、ガイドローラ２ａに巻かれて形成されたコイルと看做す。すなわち、本実施の形態において、ワイヤ３は、磁路の周囲に巻かれる。より詳細には、ワイヤ３は、磁路の周囲に巻かれたコイルを構成している。この場合、複数のワイヤ列を構成するワイヤ３の列数をコイルの巻き数として扱い、その巻き数をｎ_２とし、また複数のワイヤ列をコイルと看做した際の、巻き線比ｎ＝ｎ_２／ｎ_１、結合係数をｋとすると、Ｖ_１とＶ_２の関係は（２）式で表わされる。

（２）式で表すように、コア２３と第１ガイドローラ２ａがより近接した方が、結合係数ｋが大きくなり、Ｖ_２は大きくなり望ましい。

ワイヤ３の素材は金属線（例えばピアノ線）であるため、誘導電圧Ｖ_２により、ワイヤ３には誘導電流が流れる。この誘導電流の情報を捉えるために、誘導電流に応じた出力を行うセンサを利用する。このセンサとして、誘導電流に対応する磁界の変化を捉える磁気センサ２７を用いる。磁気センサ２７は、第１ガイドローラ２ａに近接して設置する。磁気センサ２７としては、例えばホール素子又は磁気抵抗素子を用いることができる。

ワイヤ３にダブルワイヤが発生すると、複数のワイヤ列で形成されたコイルの巻き数が変化する。このため、コイルを形成するワイヤ３の誘導電流も変化する。誘導電流が変化すると、それに対応して磁界が変化する。すなわち、ワイヤ３のダブルワイヤの発生前後で磁気センサ２７の出力が変化する。これを利用して、ダブルワイヤが検出される。

より詳細には、ワイヤ３に溝飛びが発生するとダブルワイヤが生じる。これは、ワイヤ３をコイルと看做したときの巻き数が１巻き少なくなることを意味する。つまり、（２）式のｎが小さくなり誘導電圧Ｖ_２が小さくなる。結果として、誘導電流が小さくなり、磁気センサ２７の出力が小さくなる。磁気センサ２７からの出力は制御部１９に入力される。制御部１９は、センサである磁気センサ２７からの信号を受け、ワイヤ３の異常を検出する。制御部１９は、例えば、コンピュータである。この制御部１９は、磁気センサ２７からの信号が小さくなるように変化した場合に、ワイヤ３にダブルワイヤが発生したと判定する。ダブルワイヤが検出されれば、ワイヤ３の加工動作を一旦停止するなどの処理を行うことができる。ダブルワイヤの本数など、ワイヤ３の状態により、加工を継続するべきか、加工を中止すべきか、一部ワイヤを張りかえて加工を継続すべきか等の判断を行うことができる。

なお、磁気センサ２７の種類により検出性能が異なるが、検出性能は、ホール素子で１Ｔ程度、磁気抵抗素子で５×１０^−３Ｔ程度であり、これらで検出できる範囲になるよう、励磁ユニット２１で磁界を発生させる。

磁気センサ２７は、ワイヤ列の幅方向に対して分割して複数個設けることにより、感度をより向上させることができる。１つの磁気センサ２７で大きなエリアを検出するよりも、溝飛びやダブルワイヤ発生に対して磁気センサ２７の出力の変化が大きくなるためである。また、磁気センサ２７を複数個設ける場合は、隣接するエリアが重なるように千鳥状の配置にすることにより、ワイヤ列の全長に渡って高精度な検出を行うことができる。

ダブルワイヤをより確実に検出するために、第２ガイドローラ２ｂ側にも磁気センサ２７を配置してもよい。この場合、第１ガイドローラ２ａと第２ガイドローラ２ｂとに複数回巻き掛けられたワイヤ３が、コイルを形成すると看做される。なお、第２ガイドローラ２ｂは、スピンドル２５ｃ，２５ｄを介してスピンドル取り付け部材２６ａ，２６ｂに取り付けられる。

なお、図３は、磁気センサ２７の測定ギャップと出力との関係を説明する図である。図３に示すように、磁気センサ２７は、測定対象（ワイヤ３）までの距離（測定ギャップ）が長くなるにつれ出力が減衰する特性を有している。ワイヤ３には、高速走行時に、多少のブレが生じる。磁気センサ２７がワイヤ３と接触すると、磁気センサ２７が破壊される。これを防ぐため、非接触状態を保つには、少なくとも１ｍｍ以上は確保しなければならない。しかし、図３に示すように、測定ギャップが大きいと、磁気センサ２７からの出力は、ほとんど消失してしまう。ダブルワイヤの発生による磁界の変化量は小さく、磁気センサ２７からの出力が小さいと、そのような微小な変化を捉えることができない。一方で、大きな磁界が加わると、それに応じて磁気センサ２７の出力も大きくなる。そこで、本実施の形態では、励磁ユニット２１で磁気回路を構成し、ワイヤ３に誘導電流を流すことにより、検出できる磁界（ワイヤ３は磁界を発生する）自体を大きくしている。このため、磁気センサ２７をワイヤ３から１ｍｍ以上離間させても、ワイヤ３の磁界を検出でき、ダブルワイヤを高感度に検出できる。

なお、制御部１９には、予め第１しきい値が記憶されており、この第１しきい値を超えるような信号が磁気センサ２７から出力された場合に、ダブルワイヤの発生を検出する。また、ワイヤ３が断線した場合は、ワイヤ３に流れる誘導電流が遮断されるため、磁気センサ２７の出力が著しく変化する。この変化量を予め第２しきい値として制御部１９に記憶させ、この第２しきい値を越えた場合に、ワイヤ３の断線の発生を検出する。この場合、第１しきい値よりも第２しきい値の方が大きい値である。

なお、磁気センサ２７の代わりに、ワイヤ３の誘導電流に応じた出力を行うセンサとして、誘導電流を検出する電流センサを採用してよい。

図４に、電流センサ２８を採用したワイヤソーの要部構成を示す。電流センサ２８は、供給側スプール６ａから回収側スプール６ｂに到るまでの間におけるワイヤ３の近傍に配置される。ここでは、電流センサ２８は、回収側スプール６ｂの付近におけるワイヤ３に近接して配置される。励磁ユニット２１により磁界を発生させ、ワイヤ３に誘導電流を発生させ、この誘導電流を電流センサ２８で検出する。電流センサ２８は、走行するワイヤ３と非接触とする必要があるため、ホール素子を用いたものや、カレントトランスを採用する。特に微小な変化を検出するため、磁気平衡方式のホールセンサを電流センサ２８とするのが望ましい。

ワイヤ３にダブルワイヤが生じると、（２）式のｎが小さくなり誘導電圧Ｖ_２が小さくなる。その結果として、電流センサ２８の出力が小さくなる。電流センサ２８からの出力は制御部１９に入力され、制御部１９は、ワイヤ３に生じたダブルワイヤを検出できる。

なお、第１ガイドローラ２ａへのワイヤ３の巻き数が多い場合は、複数の磁気センサ２７を使用することにより、感度を向上させた検出ができるため、磁気センサ２７を採用するのが望ましい。一方、ワイヤ３の巻き数が少ない場合は、構成がシンプルになるため、電流センサ２８を採用するのが好ましい。

これらの構成により、ワイヤ３に生じたダブルワイヤを検出することにより、断線を未然に防ぐことができ、ひいては、断線による稼動ロス、装置へのダメージ及び不良品発生を低減できる。

本開示のワイヤソーは、シリコンインゴットのスライス以外にも、サファイヤや炭化ケイ素のインゴットをスライスするスライス装置に適用できる。

１ 加工物
２ ガイドローラ
３ ワイヤ
５ａ，５ｂ プーリ
６ａ 供給側スプール
６ｂ 回収側スプール
７ ビーム
１１ 主軸モータ
１４ 加工室部
１５ トラバーサ部
１６ ダンサー部
１７ 送り軸駆動部
１９ 制御部
２１ 励磁ユニット
２２ 励磁コイル
２３ コア
２４ 交流電源
２７ 磁気センサ
２８ 電流センサ

Claims (7)

1. ガイドローラに形成された溝に導体のワイヤを巻き、前記ガイドローラの回転により前記ワイヤを走行させ、走行状態の前記ワイヤを用いて加工物をスライスするワイヤソーにおいて、
   前記ガイドローラに磁路を形成する励磁ユニットと、
   前記ワイヤに生じた誘導電流の変化に応じた信号を出力するセンサと、
   前記センサの出力に基づいて前記ワイヤの異常を検出する制御部と、を備え、
   前記ワイヤは、前記磁路の周囲に巻かれることを特徴とする、ワイヤソー。
2. 前記ワイヤは、前記磁路の周囲に巻かれたコイルを構成する、請求項１に記載のワイヤソー。
3. 前記センサは、磁気を検出する磁気センサである、請求項１又は２に記載のワイヤソー。
4. 前記磁気センサは、磁気抵抗素子又はホール素子である請求項３に記載のワイヤソー。
5. 前記磁気センサは、複数設けられる請求項３又は４に記載のワイヤソー。
6. 前記センサは、電流を検出する電流センサである、請求項１又は２に記載のワイヤソー。
7. 前記制御部は、前記ワイヤの異常として、ダブルワイヤを検出する請求項１〜６のいずれか記載のワイヤソー。

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