JP2015047685A - マルチワイヤ加工装置及びマルチワイヤ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工速度の低下を抑制したマルチワイヤ加工装置及びマルチワイヤ加工方法を得ること。【解決手段】第１〜第４のガイドローラ３ａ〜３ｄにワイヤ２を複数回巻回してワイヤ２を並列に配置した切断ワイヤ部２ａを備え、ワイヤ２を軸方向に移動させつつ第１及び第２の被加工物８ａ，８ｂを切断ワイヤ部２ａの側に送って第１及び第２の被加工物８ａ，８ｂを切断するマルチワイヤ加工装置であって、第１及び第２の被加工物８ａ，８ｂの各々と切断ワイヤ部２ａとの距離を個別に制御する位置制御装置４と、第１及び第２の被加工物８ａ，８ｂ間にパルス電圧を印加する加工電源６とを備え、位置制御装置４は、第２の被加工物８ｂを切断ワイヤ部２ａに接触させて切削加工により切断するとともに、第１の被加工物８ａと切断ワイヤ部２ａとの間隔を一定に保って、第１の被加工物８ａを放電加工により切断する。【選択図】図１

Description

本発明は、マルチワイヤ加工装置及びマルチワイヤ加工方法に関し、特に、間隔をおいて配置された複数本のガイドローラに一本のワイヤを巻きかけることによって形成された複数の切断ワイヤ部と被加工物との間にパルス電圧を印加して、被加工物を複数片に切削切断及び放電切断するマルチワイヤ加工装置及びマルチワイヤ加工方法に関する。

半導体インゴットをウェハ状に切り出す手段としてマルチワイヤソーが知られている。マルチワイヤソーは、複数のガイドローラ間に切断用のワイヤを巻回することにより、加工対象である半導体インゴットに対して複数本の切断ワイヤ部を構成している。この切断ワイヤ部をその軸方向に高速駆動しながら、半導体インゴットを切断ワイヤ部へ押し付けることで、半導体インゴットを複数のウェハ状に加工する。

マルチワイヤソーの一構成形態として、特許文献１では、二つのインゴットを同時に切断することを可能とした装置が提案されている。これによると、二つのインゴットを同時時切断できるため、一つのインゴットを切断するマルチワイヤソーと比較してウェハの生産量を改善している。

一方、一本のワイヤ電極を複数のガイドローラ間で巻回させることにより柱状の被加工物に対し複数の切断ワイヤ部を形成し、切断ワイヤ部と柱状の被加工物との間に独立にパルス電流を印加し放電を発生させることで、被加工物から複数の薄板を一括して切り出すマルチワイヤ放電加工技術が開示されている（特許文献２）。

特開２００９−２７４１６７号公報 特開２０１２−２４０１２８号公報

しかしながら、シリコンカーバイドなどに代表される高硬度材料の加工において、特許文献１の方法による切削加工では、切削抵抗の増加に伴う工具の摩耗により加工能力が低下するため、加工速度が低下するという問題があった。

また、切断ワイヤ部に複数インゴットを対向して設置し、特許文献２のような放電式ワイヤソーにより同時に加工する方法も考えられるが、切断ワイヤとインゴットとの間の放電が発生すると、切断ワイヤとインゴットとの間の電圧がアーク電圧まで降下するため、一つの切断ワイヤに複数の放電を発生させることはできない。よって、上述のように複数のインゴットを同時に切断する方法では低い速度で加工しなければならず、ウェハ生産性の改善は困難であるという問題があった。

さらに、粒径数十μｍ〜数百μｍのダイヤモンドを付着させたワイヤを用いて被加工物を放電加工する場合、ワイヤ走行によりワイヤ電極と摺接する導体が切削されていくため、切断加工中にワイヤ電極へ給電できなくなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工速度の低下を抑制したマルチワイヤ加工装置及びマルチワイヤ加工方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数のガイドローラにワイヤを複数回巻回してワイヤを並列に配置した切断ワイヤ部を備え、ワイヤを軸方向に移動させつつ複数の被加工物を切断ワイヤ部の側に送って複数の被加工物を切断するマルチワイヤ加工装置であって、複数の被加工物の各々と切断ワイヤ部との距離を個別に制御する駆動手段と、複数の被加工物同士の間にパルス電圧を印加するパルス電圧発生手段とを備え、駆動手段は、複数の被加工物の一つを切断ワイヤ部に接触させて切削加工により切断するとともに、複数の被加工物のうちの一つ以外の被加工物と切断ワイヤ部との間隔を一定に保って、複数の被加工物のうちの一つ以外の被加工物を放電加工により切断することを特徴とする。

本発明によれば、一本のワイヤを複数のガイドローラ間で巻回させることにより切断ワイヤ部を形成し、複数の被加工物のうち一つを切断ワイヤ部へ接触させて切削加工を行い、複数の被加工物のうちの一つ以外の被加工物を放電加工により切断加工することで、加工速度の低下を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるマルチワイヤ加工装置の実施の形態１の概略構成を示す斜視図である。 図２は、第２のガイドローラ及び第３のガイドローラの回転軸線方向から見た平面図である。 図３は、図２中の矢視Ａ方向から見た本発明の実施の形態１にかかるマルチワイヤ加工装置の断面図である。 図４は、放電加工をする切断ワイヤ部と切削加工をする切断ワイヤ部とを分離したマルチワイヤ加工装置の構成を示す図である。 図５は、放電加工のみをする切断ワイヤ部と、放電加工及び切削加工をする切断ワイヤ部と、切削加工のみをする切断ワイヤ部とを分離したマルチワイヤ加工装置の構成を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態３にかかるマルチワイヤ加工装置のガイドローラの回転軸方向から見た平面図である。 図７は、本発明の実施の形態４にかかるマルチワイヤ加工装置の放電加工パルスパターンを示す図である。

以下に、本発明にかかるマルチワイヤ加工装置及びマルチワイヤ加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるマルチワイヤ加工装置の実施の形態１の概略構成を示す斜視図である。図１において、マルチワイヤ加工装置１００は、ワイヤ２を繰り出すワイヤ繰り出しボビン１ａ、第１のガイドローラ３ａ、第２のガイドローラ３ｂ、第３のガイドローラ３ｃ、第４のガイドローラ３ｄ及びワイヤ２を回収するワイヤ回収ボビン１ｂを備える。第１〜第４のガイドローラ３ａ〜３ｄのそれぞれには、一本のワイヤ２が順次巻き掛けられ、軸線方向に並行に並んだワイヤ２が配置されている。マルチワイヤ加工時において、ワイヤ２はワイヤ繰り出しボビン１ａから上記経路を経てワイヤ回収ボビン１ｂまで走行する。

ワイヤ２のうち第３のガイドローラ３ｃと第４のガイドローラ３ｄとの間では、互いに平行に張られたワイヤ２からなる切断ワイヤ部２ａが構成されている。切断ワイヤ部２ａと対向する第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂは、それぞれ第１の駆動ユニット９ａと第２の駆動ユニット９ｂとに固定され、駆動手段としての位置制御装置４によって、切断ワイヤ部２ａとの距離を適切に保ちながら切断方向（図１での上方向）に送られる。

ワイヤ２は、導電性を有する材料で構成されている。また、ワイヤ２は、表面に粒径数μｍ〜数百μｍの硬質材料（ダイヤモンドやシリコンカーバイドなど）を付着させても良い。また、加工液は図示しないが、粒径数μｍ〜数百μｍの硬質材料（ダイヤモンドやシリコンカーバイドなど）を混ぜた液体、電解液、油、水などが好適である。なお、被加工物の切断加工には吹きかけ又は浸漬により切断部位に加工液が供給される。

第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂには、給電線７ａ，７ｂを介してパルス電圧発生手段としての加工電源６が電気的に接続されており、加工電源６は、第１の被加工物８ａと第２の被加工物８ｂとの間にパルス電圧を印加することができる。

第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂは、複数の薄板にスライス加工されるインゴット状のものを用いることができる。また、その材質は、例えば、スパッタリングターゲットとなるタングステンやモリブデンなどの金属、各種構造部材として使われる多結晶シリコンカーバイドなどのセラミックス、半導体デバイスウェハとなる単結晶シリコンや単結晶シリコンカーバイドなどの半導体素材、太陽電池ウェハとなる単結晶及び多結晶シリコンなどの太陽電池素材などがある。

上記のうち、金属は比抵抗が十分低いため放電加工を行うにあたって支障はないが、半導体素材及び太陽電池素材で放電加工が可能であるのは、比抵抗が概ね１００Ωｃｍ以下、望ましくは１０Ωｃｍ以下の素材である。

したがって、第１及び第２の被加工物８ａ，８ｂとしては、金属又は比抵抗が金属と同等から１００Ωｃｍ以下、望ましくは１０Ωｃｍ以下の範囲の素材、特に上記範囲の比抵抗を有する半導体素材及び太陽電池素材が好適である。

次に、切断加工の方法について説明する。図２は、第２のガイドローラ及び第３のガイドローラの回転軸線方向から見た平面図、図３は、図２中の矢視Ａ方向から見た本発明の実施の形態１にかかるマルチワイヤ加工装置の断面図である。第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂは、同一の切断ワイヤ部２ａによって切断加工が行われる。

位置制御装置４は、第２の駆動ユニット９ｂを制御することによって第２の被加工物８ｂを切断ワイヤ部２ａに押し付けながら（接触させながら）、第１の駆動ユニット９ａを制御することによって切断ワイヤ部２ａと第１の被加工物８ａとの相対距離を制御する。加工中は、図示しないワイヤ走行装置によって一定間隔ごとにワイヤ２の走行方向が交互に変更される。すなわち、被加工物８ｂは切断ワイヤ部２ａにおいて往復するワイヤ２に押し付けられる。これにより第２の被加工物８ｂは、時間の経過に伴い切断ワイヤ部２ａによって削られていくため、位置制御装置４が第２の駆動ユニット９ｂを制御することによって第２の被加工物８ｂを切断方向へ送ることにより第２の被加工物８ｂの切削加工が進行する。

第１の被加工物８ａは、位置制御装置４が第１の駆動ユニット９ａを制御することによって切断ワイヤ部２ａに機械的に接触しない状態で加工方向へ駆動される。位置制御装置４が第２の駆動ユニット９ｂを制御することによって第２の被加工物８ｂは切断ワイヤ部２ａに押し付けられているため、第２の被加工物８ｂと切断ワイヤ部２ａとは電気的に接続されている。そのため、第１の被加工物８ａと第２の被加工物８ｂとの間にパルス電圧を印加することで、切断ワイヤ部２ａと第１の被加工物８ａとの間に放電を発生させることができる。時間の経過に伴い第１の被加工物８ａは放電加工されるため、位置制御装置４が第１の駆動ユニット９ａを制御するによって第１の被加工物８ａを切断方向へ送ることで第１の被加工物８ａの放電加工が進行する。

本実施の形態では、給電子を使用せずに切断ワイヤ部２ａへ給電できるため、給電子の保守の必要が無い。

このように複数の被加工物の一つを切断ワイヤ部に押し付けて切削加工を行いながら、複数の被加工物間にパルス電圧を印加して、複数の被加工物のうちの一つ以外の被加工物を放電加工することで、加工速度の低下を抑制して被加工物を切断できる。例えば、加工速度を低下させることなく、複数のインゴットから薄板（特に半導体ウェハなどの硬脆材料や高難削材の薄板）を折損することなく製造できる。また、切断ワイヤ部に押し付ける被加工物以外の被加工物は放電加工で切断するため、全ての被加工物を切削加工する場合と比較して消費エネルギーを低減できる。すなわち、インゴット状の材料を薄板状にスライスする設備における環境負荷を低減できる。

なお、実施の形態１では、被加工物が２個の場合の切断加工例を示したが、被加工物が３個以上であっても、切削加工と放電加工とを併用することで、被加工物総数に対する加工速度の低下を抑えられる。すなわち、被加工物が３個以上の場合は、放電加工が施される被加工物が２個以上になるため、ワイヤに複数の放電を発生させることができず速度を上げることが難しくなるが、同時に切断する被加工物の数が増えることにより被加工物一つ当たりの所要時間は短縮できる。よって、切削加工と放電加工とを併用して同時に複数の被加工物を切断するものであれば、被加工物の総数には限定されない。

また、実施の形態１では、第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂを切断ワイヤ部２ａによって、放電加工と切削加工とを行う例を示したが、切断ワイヤ部２ａとは別に切断ワイヤ部２ｂを設け、放電加工をする切断ワイヤ部２ａと切削加工をする切断ワイヤ部２ｂとを分離しても良い。図４は、放電加工をする切断ワイヤ部と切削加工をする切断ワイヤ部とを分離したマルチワイヤ加工装置の構成を示す図である。放電加工をする切断ワイヤ部２ａと切削加工をする切断ワイヤ部２ｂとを別個とすることにより、第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂをワイヤ２の並列方向に沿って並べることが可能となり、装置の小型化が可能となる。

さらに、三つの切断ワイヤ部２ａ，２ｂ，２ｃを構成し、第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂに対し、それぞれ放電加工のみ、放電加工及び切削加工、切削加工のみとする構成としてもよい。図５は、放電加工のみをする切断ワイヤ部と、放電加工及び切削加工をする切断ワイヤ部と、切削加工のみをする切断ワイヤ部とを分離したマルチワイヤ加工装置の構成を示す図である。

実施の形態１にかかるマルチワイヤ加工装置は、放電加工と切削加工とを行う切断ワイヤ部を有するものであれば、特定の構成に限定されない。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２は、実施の形態１と同様の機械構造を有する。ただし、位置制御装置４が第１の駆動ユニット９ａ及び第２の駆動ユニット９ｂを制御することによって第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂを切断方向及び切断方向と逆方向へ移動させることで交互に切削加工と放電加工とを繰り返す。これにより、複数の被加工物の加工面の精度を均一にする（精度のばらつきを抑える）ことができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかるマルチワイヤ加工装置のガイドローラの回転軸方向から見た平面図である。放電加工がなされる第１の被加工物８ａは、第２のガイドローラ３ｂと第３のガイドローラ３ｃとの間に位置し、切削加工がなされる第２の被加工物８ｂは、第１のガイドローラ３ａと第４のガイドローラ３ｄとの間に位置している。第１のガイドローラ３ａと第４のガイドローラ３ｄとの間には、第２の切断ワイヤ部２ｂが構成されている。第２の切断ワイヤ部２ｂを挟んで第２の被加工物８ｂの対向部には加工液を回収する加工液回収槽９が設置されている。加工液回収槽９で回収された第２の加工液は、図示しない加工液供給装置（加工液供給手段）により第２の被加工物８ｂへ吹きかけられる。

その他の構成は実施の形態１と同様である。加工液回収槽９を設置することで、切削加工で使用する加工液と放電加工とで使用する加工液とを別の種類とすることができる。例えば、放電加工を行う第１の被加工物８ａは水中に浸漬した状態で放電加工を行いながら、切削加工を行う第２の被加工物８ｂは硬質材料（ダイヤモンドなど）を混ぜた加工液を吹きかけても良い。このように、切削加工、放電加工に適した加工液を使用することができ、加工効率を向上させることができる。

なお、実施の形態３では、第２の切断ワイヤ部２ｂを第１のガイドローラ３ａと第４のガイドローラ３ｄとの間に設けたものであるが、例えば、第１のガイドローラ３ａと第２のガイドローラ３ｂとの間に第２の切断ワイヤ部２ｂを設けてもよく、ワイヤ２を巻回する複数のガイドローラ間に第２の切断ワイヤ部２ｂを設け、加工液回収槽９を設けるものであれば良く、特定の構造に限定されない。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４にかかるマルチワイヤ加工装置の放電加工パルスパターンを示す図である。図７に示す放電加工パルスパターンは、加工電源６によって発生させるもので、第１の被加工物８ａと第２の被加工物８ｂとの間に極性を適宜反転させた放電加工パルスを印加する。これにより、被加工物が鉄系材料であるときの第１の被加工物８ａ及び第２の被加工物８ｂの表面に発生する腐食を抑制することができる。すなわち、放電電圧の平均値が常に零になるように放電加工パルスを制御することにより、被加工物の加工面の微小割れを防止して加工品質を向上し、ワイヤ及び被加工物の電蝕を防ぐことができる。

なお、実施の形態４における加工電源６は、第１の被加工物８ａと第２の被加工物８ｂとの間に極性を適宜反転して放電加工パルスと印加するものであればよく、印加する放電加工パルスパターンに限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかるマルチワイヤ加工装置及びマルチワイヤ加工方法は、切削加工と放電加工とを併用し、複数の被加工物を加工速度の低下を抑えながら切断することが可能であり、したがって、複数の被加工物から一括して複数の薄板材を切り出すのに適している。

１ａ ワイヤ繰り出しボビン、１ｂ ワイヤ回収ボビン、２ ワイヤ、２ａ，２ｂ，２ｃ 切断ワイヤ部、３ａ 第１のガイドローラ、３ｂ 第２のガイドローラ、３ｃ 第３のガイドローラ、３ｄ 第４のガイドローラ、４ 位置制御装置、６ 加工電源、７ａ，７ｂ 給電線、８ａ 第１の被加工物、８ｂ 第２の被加工物、９ａ 第１の駆動ユニット、９ｂ 第２の駆動ユニット。

Claims (4)

1. 複数のガイドローラにワイヤを複数回巻回して前記ワイヤを並列に配置した切断ワイヤ部を備え、前記ワイヤを軸方向に移動させつつ複数の被加工物を前記切断ワイヤ部の側に送って前記複数の被加工物を切断するマルチワイヤ加工装置であって、
   前記複数の被加工物の各々と前記切断ワイヤ部との距離を個別に制御する駆動手段と、
   複数の前記被加工物同士の間にパルス電圧を印加するパルス電圧発生手段とを備え、
   前記駆動手段は、複数の前記被加工物の一つを前記切断ワイヤ部に接触させて切削加工により切断するとともに、複数の前記被加工物のうちの前記一つ以外の被加工物と前記切断ワイヤ部との間隔を一定に保って、複数の前記被加工物のうちの前記一つ以外の被加工物を放電加工により切断することを特徴とするマルチワイヤ加工装置。
2. 前記駆動手段は、前記切断ワイヤ部に接触させる前記被加工物を順番に変えることを特徴とする請求項１に記載のマルチワイヤ加工装置。
3. 前記切断ワイヤ部を複数有し、
   複数の前記切断ワイヤ部の各々に加工液を供給する加工液供給手段と、
   複数の前記切断ワイヤ部の各々に供給された加工液を回収する加工液回収槽とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチワイヤ加工装置。
4. 複数のガイドローラにワイヤを複数回巻回して前記ワイヤを並列に配置した切断ワイヤ部の側に複数の被加工物を送りつつ前記ワイヤを軸方向に移動させて、前記複数の被加工物を切断するマルチワイヤ加工方法であって、
   複数の前記被加工物の一つを前記切断ワイヤ部に接触させて切削加工により切断する処理と、複数の前記被加工物のうちの前記一つ以外の被加工物と前記切断ワイヤ部との間隔を一定に保ちつつ複数の前記被加工物同士の間にパルス電圧を印加して、複数の前記被加工物のうちの前記一つ以外の被加工物を放電加工により切断する処理とを同時に行うことを特徴とするマルチワイヤ加工方法。

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