JP3827675B2

JP3827675B2 - 切断装置

Info

Publication number: JP3827675B2
Application number: JP2004052061A
Authority: JP
Inventors: 大介井手; 直樹峠
Original assignee: Noritake Co Ltd; Noritake Super Abrasive Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd; Noritake Super Abrasive Co Ltd
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP2005238393A

Description

本発明は、ワイヤソーを用いてシリコンインゴットを切断してウエハを製造する際などに使用される切断装置に関する。

大口径シリコンインゴットからのシリコンウエハのスライシング等を用途として、近年ワイヤソーがよく使用されている。
このワイヤソーの一種としてレジンボンドワイヤソーがあり、高抗張力金属を芯線として用い、ポリアミド、ポリイミド樹脂等の有機材料またはガラス等の無機材料をバインダーとしてこれに砥粒を分散含有させたもので芯線を被覆するという構成のものである。
ワイヤソーを用いた切断装置では、ガイドローラに所定の間隔をおいて張られたワイヤソーを高速で走行させ、このワイヤソーにシリコンインゴットを押し当てて切断し、多数のウエハを同時に製造している。ワイヤソーの供給速度は通常切断開始から終了まで一定に保たれており、被切断材の材質や寸法、ワイヤソーの線速、研削液、ワイヤーテンション等の加工条件が変わると、ワイヤソーの撓み量を確認して、ワイヤソーの新線供給速度を変えて切断作業が行われている。

ワイヤソーには従来からの遊離砥粒方式ワイヤソーと、近年開発された固定砥粒ワイヤソーとがある。固定砥粒ワイヤソーを用いた切断においては、被切断材の切断面精度を良くするためには、ワイヤソーの撓み量を少なくするとともに、被切断材の長さ方向に撓み量を一定に保つことが必要となる。しかし、砥粒の摩耗が大きくなると、撓み量が多くなるため、ワイヤソーの供給側に近い新線側と、巻き取り側に近い旧線側とでワイヤソーの撓み量の差が大きくなる。
ワイヤソーを用いた切断装置として、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されたものがあり、また、ワイヤソーの表面状態を検査する装置として特許文献４に記載されたものがある。

特開平１１−３０９６６１号公報特開２０００−２８８９０２号公報特開２００１−５４８５０号公報特開２００３−４６４６号公報

しかし、上記の特許文献１から３に記載された切断装置は、ワイヤソーの摩耗状態を検出することができないため、撓み量を調整することができない。また、特許文献４に記載された検査装置は、ワイヤソー表面の砥粒数と砥粒が占める面積については検査できるものの、ワイヤソーの偏芯量を測定することができない。さらに、砥粒の脱落による砥粒数の変化を検出して砥粒の摩耗状態を知ることはできるが、砥粒脱落前であれば摩耗していても砥粒が残存しているため、砥粒が存在していると判定してしまい、砥粒の摩耗状態（砥粒摩滅や偏摩耗）を知ることはできない。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ワイヤソーの摩耗状態を検出し、摩耗状態に応じてワイヤソーの供給線速を制御して、切断性能に優れた切断装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明は、芯線の周囲にボンド材によって砥粒を固着したワイヤソーの長手方向に対して８０°〜９０°の角をなすように略垂直に配置された光源と、この光源からワイヤソーに照射されて透過する光を用いてワイヤソーの画像を撮影するカメラと、前記画像に基づいて少なくとも砥粒の個数、砥粒間隔、砥粒の投影面積を検出してワイヤソーの良否判定を行う演算装置とを有するワイヤソー検査装置を備え、前記ワイヤソー検査装置から得られるワイヤソーの表面状態に関する情報に基づいてワイヤソーの新線供給速度を定めて新線を供給し、被切断材を切断することを特徴とする切断装置である。

ワイヤソー検査装置によってワイヤソー表面の摩耗状態を検査することができるため、摩耗状態に応じてワイヤソーの新線供給速度を調整することができる。そのため、新線側と旧線側とでワイヤソーの撓み量をほぼ一定に保つことができ、切断性能を向上することができる。

本発明は、前記ワイヤソー検査装置をワイヤソーの旧線側に配置したことを特徴とする。ワイヤソーは旧線側での摩耗が大きいため、ワイヤソー検査装置をワイヤソーの旧線側に配置することにより、適切にワイヤソーの摩耗状態を検出することができる。

本発明は、前記ワイヤソーの走行速度を６００ｍ／ｍｉｎ以上２０００ｍ／ｍｉｎ以下としたことを特徴とする。ワイヤソーの走行速度が６００ｍ／ｍｉｎ未満であると、砥粒１個の被切断材への食い込み量が大きくなり，その結果砥粒への負荷が高くなる。このため，旧線側のワイヤソーの表面状態はボンド層のほとんどが剥離してしまい，検査装置で評価することができないため好ましくない。一方、２０００ｍ／ｍｉｎを超えると砥粒と被切断材との間で滑りが発生し、摩擦熱でボンド材を構成する樹脂が溶けてしまう。このため，旧線側のワイヤソーの表面状態はボンド層のほとんどが溶けて無くなり，検査装置で評価することができないため好ましくない。

本発明は、前記ボンド材中に骨材を含まず、ボンド材の光透過率が８０％以上であることを特徴とする。
ボンド材中に金属粉末や無機粉末等の骨材が含まれていると、骨材を砥粒として判定していまい、正確な砥粒分布の判定が困難となり、判定結果に誤差を生じやすい。また、ボンド材の光透過率が８０％未満であると、芯線と砥粒層との位置関係を測定することが困難となり、正確な砥粒分布の判定が難しい。従って、ボンド材中に骨材を含まず、ボンド材の光透過率を８０％以上とすることによって、砥粒分布の判定を正確に行って、砥粒の脱落とボンド材の剥離を防止して切断性能に優れたワイヤソーを実現することができる。

本発明によると、ワイヤソー検査装置によってワイヤソー表面の摩耗状態を検査することができるため、摩耗状態に応じてワイヤソーの新線供給速度を調整することができる。そのため、新線側と旧線側とでワイヤソーの撓み量をほぼ一定に保つことができ、切断性能を向上することができる。

以下、本発明をその実施の形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る切断装置の構成の一例を示す。
切断装置３０において、巻出しボビン３１から供給されたワイヤソー１は、プーリー３２により進行方向及び通過位置が変えられて、クーラントノズル３３を備えた２つのガイドローラ３４に巻き取られる。その結果、２つのガイドローラ３４の間にその長手方向に沿ってワイヤソー１が間隔をおいて複数箇所に張られた状態となる。

この構成によってワイヤソー１は、２つのガイドローラ３４間で揺動し、このワイヤソー１に対して、被切断材３５を固定するためのブロック３６によって固定された被切断材３５が押し付けられることによって、被切断材３５が複数箇所で切断される。

ガイドローラ３４を通過したワイヤソー１に対して、ワイヤソー検査装置３７が配置されてワイヤソー１の砥粒の状態が検査された後、ワイヤソー１はプーリー３２によって、進行方向及び通過位置が変えられて巻取りボビン３８によって巻き取られて回収される。

ワイヤソー１は巻出しボビン３１から順次新線が供給されて被切断材３５を切断するため、巻取りボビン３８に近い側ほどワイヤソー１の摩耗が激しくなる。この実施形態においては、ワイヤソー検査装置３７を、ガイドローラ３４より巻取りボビン３８側に配置することにより、被切断材３５の切断によって生じたワイヤソー１の摩耗状態を検査することができ、摩耗による切味の低下や断線を未然に防止することができる。

また、ワイヤソー１の摩耗状態は、巻出しボビン３１からの新線の供給速度によって影響を受け、供給速度が小さいとワイヤソー１の摩耗が激しくなる。そのため、ワイヤソー検査装置３７の検査結果に基づいて供給速度を調整することで、ワイヤソー１の摩耗状態にあわせた切断条件を設定して切断することが可能となるため、切断性能を高めることができる。

図２を用いて、本発明の切断装置に用いられるワイヤソーの検査装置について説明する。
図２において、ワイヤソー１の長手方向に対して垂直な２軸方向に、ＣＣＤカメラ２が配置され、このＣＣＤカメラ２に対向してワイヤソー１を挟んでＬＥＤ光源３が配置されている。ＣＣＤカメラ２にはカメラ用電源４が接続され、ＬＥＤ光源３にはＬＥＤ光源用電源５が接続されている。２つのカメラ用電源４にはカメラ切替器６が接続され、カメラ切替器６と２つのＬＥＤ光源３は制御装置７に接続され、制御装置７は演算装置８に接続されている。演算装置８には、その周辺機器としてのディスプレイ９、キーボード１０，およびマウス１１が接続されている。

この検査装置においては、ＣＣＤカメラ２によってワイヤソー１の静止画像が撮影されるが、この際にＬＥＤ光源３によってワイヤソー１に対して光が照射される。従って、ＣＣＤカメラ２はワイヤソー１を透過した光を用いてワイヤソー１の静止画像を撮影する。カメラ切替器６によって、２つのＣＣＤカメラ２のうちいずれを選択するかが切り替えられ、制御装置７によってカメラ用電源４、ＬＥＤ光源用電源５のオン／オフと、カメラ切替器６の切替が制御される。ワイヤソー１の静止画像は演算装置８に取り込まれ、そのデータが処理されてワイヤソーの良否が判定される。

上記の検査装置を用いたワイヤソーの検査方法について以下に説明する。
図３（ａ）に、ＣＣＤカメラ２によって撮影されたワイヤソー１の静止画像の一例を示す。ワイヤソー１は、芯線２１の周囲にボンド材２２を用いて砥粒２３を固着してなるものであるが、この検査方法においてはまず、画像の明度を読み取って、明度が大きく変化する位置に曲線Ｉを引く。この曲線Ｉはワイヤソー１と空間との境界であると判断できるため、曲線Ｉの立ち上がり部をワイヤソー１の両端と定義し、この両端から等距離の点を通ってワイヤソーの長手方向に直線Ｉを引き、この直線Ｉをワイヤソー１の中心線とする。次に、砥粒２３の輪郭部の明度を基準値として設定し、この明度を持つ点を繋いで曲線ＩＩを引き、砥粒２３の輪郭線とする。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の部分拡大図であり、曲線ＩＩより芯線側に、砥粒２３をワイヤソー１の長手方向に貫く直線ＩＩ（この直線ＩＩは、曲線ＩＩの回帰直線となる）を引き、この直線ＩＩに平行であって、直線Ｉから曲線ＩＩまでの距離が最大となる点を結ぶ直線ＩＩＩと、直線Ｉから曲線ＩＩまでの距離が最小となる点を結ぶ直線ＩＶを引く。

直線ＩＩに平行であって、砥粒２３を最も多く含むように直線Ｖを引き（図３（ｂ）では、曲線ＩＩに囲まれた部分のみを表示）、この直線Ｖに垂直に、直線ＩＩＩから直線ＩＶまでの間に直線ＶＩを引く。この直線ＶＩは、検出された砥粒２３のほぼ中心となる位置に引かれるため、直線ＶＩの数によって砥粒数を検出することができ、隣り合う直線ＶＩの間隔によって砥粒間隔を検出することができる。

図４に基づいて、上記の方法により検出される砥粒数と砥粒間隔から、ワイヤソーの良否判定を行うプロセスについて説明する。
図４は、ワイヤソー１が、芯線２１の周囲に複数の砥粒２３（斜線を引いて示す）が固着されて形成されている様子を模式的に示しており、ワイヤソー１の外径をＷ、ワイヤソー１の左側の砥粒２３の厚さをＷ_L、ワイヤソー１の右側の砥粒２３の厚さをＷ_Rとしている。また、各砥粒の投影面積をＳ_L1、Ｓ_R1等とし、砥粒間隔をＬ_L1、Ｌ_R1等としている。この検査方法は、以下のステップに従って実行される。

ステップ１
まず、砥粒数が閾値以上であるかについて判定する。ここでは、ワイヤソー１の長手方向について長さＬの部分に、左右それぞれに砥粒２３が５個ずつ固着されているものを示しており、たとえば、長さＬの部分に固着されている砥粒数が５個以上であるものを良品と判定する。この判定は、ワイヤソーの左側、右側のいずれについても行い、
左側の砥粒数≧５
右側の砥粒数≧５
のとき良と判定し、それ以外のときは不可と判定して砥粒数を赤で表示してステップ２に進む。

ステップ２
ワイヤソーの外径を判定する。ワイヤソーの外径は芯線径と砥粒径の組み合わせで変化するため、使用前のワイヤソーについての外径を基準にして閾値を設定するのが良い。
例えば、
使用中のワイヤソー外径≧使用前のワイヤソー外径×９０％：良の判定
使用前のワイヤソー外径×８０％≦使用中のワイヤソー外径≦使用前のワイヤソー外径×９０％：可の判定
使用中のワイヤソー外径≦使用前のワイヤソー外径×８０％：不可の判定
不可の場合はその数値を赤で表示してステップ３に進む。

ステップ３
ボンド層の厚さの閾値と、厚さの偏りの閾値を定め、この閾値に対してボンド層の厚さと厚さの偏りについて判定する。
ボンド層の厚さは砥粒径によって変化するため、使用前のワイヤーについてのボンドの厚さを基準にして閾値を設定するのが良い。
例えば、
使用中のボンドの厚さ≧使用前のボンドの厚さ×９０％：良の判定
使用前のボンドの厚さ×８０％≦使用中のボンドの厚さ≦使用前のボンドの厚さ×９０％：可の判定
使用中のボンドの厚さ≦使用前のボンドの厚さ×８０％：不可の判定
不可の場合はその数値を赤で表示してステップ３に進む。
次に、芯線２１の右側と左側での砥粒２３を含むボンド層の厚さの偏りについて判定する。左側の砥粒２３の厚さＷ_Lと、右側の砥粒２３の厚さＷ_Rとの比が、０．９以上であれば良と判定してステップ３に進み、０．６４以上０．９未満であれば可と判定してステップ３に進む。すなわち、
Ｗ_L≧Ｗ_Rのとき、
Ｗ_R／Ｗ_L≧０．９：良の判定
０．６４≦Ｗ_R／Ｗ_L＜０．９：可の判定
Ｗ_L≦Ｗ_Rのとき、
Ｗ_L／Ｗ_R≧０．９：良の判定
０．６４≦Ｗ_L／Ｗ_R＜０．９：可の判定
とし、それ以外のときは不可と判定してその数値を赤で表示して検査を終了する。
以上の条件を満たすときに、良と判定し、それ以外のときは不可と判定してその数値を赤で表示してステップ４に進む。

ステップ４
砥粒層中での砥粒の投影面積が閾値以上であるかについて判定する。砥粒層におけるボンド材の厚みが、左側においてＷ_L、右側においてＷ_Rであるとすると、砥粒層の投影面積は図示する部分について左側でＬ×Ｗ_L、右側でＬ×Ｗ_Rである。この砥粒層の投影面積に対して、砥粒の投影面積の総和の比をとって、
０．１９≦（Ｓ_L1＋Ｓ_L2＋Ｓ_L3＋Ｓ_L4＋Ｓ_L5）／（Ｌ×Ｗ_L）≦０．６２
０．１９≦（Ｓ_R1＋Ｓ_R2＋Ｓ_R3＋Ｓ_R4＋Ｓ_R5）／（Ｌ×Ｗ_R）≦０．６２
の条件を満たすときには良と判定し、それ以外のときは不可と判定してその数値を赤で表示してステップ５に進む。

ステップ５
図３における直線ＶＩの間隔を検出することによって得られる砥粒間隔とその標準偏差について判定を行い、砥粒の分散状態についての良否を判定する。
砥粒間隔は砥粒の集中度によって変化するため、使用前のワイヤーについての砥粒間隔を基準にして閾値を設定するのが良い。
例えば、
使用中の平均砥粒間隔≦使用前の平均砥粒間隔×１１０％：良の判定
使用前の平均砥粒間隔×１２０％≧使用中の平均砥粒間隔≧使用前の平均砥粒間隔×１１０％：可の判定
使用中の平均砥粒間隔≧使用前の平均砥粒間隔×１２０％：不可の判定
不可の場合はその数値を赤で表示してステップ３に進む。
砥粒間隔の標準偏差は、芯線を挟んで右側の砥粒と左側の砥粒のいずれもが良と判定される条件を満たしているときに良と判定される。すなわち、左側の砥粒間隔を総称してＬ_Lとし、右側の砥粒間隔を総称してＬ_Rとしたときに、
Ｌ_Lの標準偏差≦２５、かつＬ_Rの標準偏差≦２５
のときに良と判定し、この範囲を除いて
Ｌ_Lの標準偏差≦７０、かつＬ_Rの標準偏差≦７０
のときに可と判定する。
なお、以上の標準偏差における数値は、静止画像における画素数を意味しており、これらの数値の単位は画素のドット数となる。

以上のステップによって良と判定された場合には、そのままワイヤソーによって切断作業が続けられる。可と判定された場合には、あらかじめ設定された回数だけ「可」の判定が連続した場合は、警報を鳴らし、手動あるいは自動で新線供給速度大きくする。また、不可と判定されたときには、検査終了後に、警報を鳴らし、手動あるいは自動でさらに新線供給速度大きくする。
なお、上記の説明における数値は一例であって、上記のものに限定されず、必要に応じて適宜定めることができる。また、上記の判定においては、予め定めた閾値との比較によって良否判断を行っているが、使用前のワイヤソーについての各数値との比較によって良否判断を行うこともできる。

以上の検査によって、検査される項目を図５に示す。図５に示すように、摩滅している事は、ワイヤソーの外径とボンド層の厚さの減少を検査することによって検知できる。また、砥粒の脱落、剥離は、砥粒数の減少、砥粒面積の減少、砥粒間隔及びその標準偏差の増大を検査することによって検知できる。また、偏摩耗は、外径と、ボンド層の偏りの程度と、砥粒面積の減少を検査することによって検知できる。いずれの場合も、複数の検査項目を設定しているため、誤判定を防ぐことができる。

上記の測定に使用される光として、例えば可視光の波長領域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光を用いることができる。ボンド材の光透過度は８０％以上であることが好ましい。ボンド材の光透過度が８０％未満であると、光透過度が低いために、ワイヤソーを透過した光を用いて芯線と砥粒層との位置関係を測定することが困難になるからである。
また、測定に使用できる光源としては、蛍光灯、ハロゲンランプ、ＬＥＤ等の白色光を用いることができる。

図６は、図１に示す切断装置において、ガイドローラ３４に巻き付けられたワイヤソー１によって被切断材３５を切断する際に、ワイヤソー１が撓んでいる様子を示す。ワイヤソー１の摩耗状態を検出することができない従来の切断装置においては、図６（ｂ）に示すように、ガイドローラ３４の長手方向について新線側と旧線側とで撓み量が異なるが、ワイヤソー１の摩耗状態を検出して新線供給速度を制御することができる本発明の切断装置においては、図６（ｃ）に示すように、ガイドローラ３４の長手方向について新線側と旧線側とでの撓み量をほぼ等しくすることができる。

以下に、試験結果を示す。
試験条件を表１に示す。

試験結果を以下に示す。
図７に、ワイヤソーの摩耗状態に関する検査結果を示す。
加工前でのワイヤソーの外径は７６ドットであり、ボンド層の厚さは１６ドットであったのに対して、ワイヤソーの新線供給速度を２ｍ／ｍｉｎとして４０分間加工を行うと、外径が６０ドット、ボンド層の厚さが７ドットの状態（状態１）となった。ここでのドットとは、静止画像における画素のドット数を意味し、例えば、ワイヤソーの外径が７６ドットであるとは、７６ドットの画素数でワイヤソーの外径が認識されることを意味する。この状態に達したときに、新線供給速度を４ｍ／ｍｉｎに早めて加工を行うと、外径のドット数、ボンド層の厚さのドット数のいずれも回復し、摩耗状態が軽減していることが確認された。

図８に、ワイヤソーの砥粒脱落に関する検査結果を示す。
加工前でのワイヤソーの砥粒数は２０個であり、砥粒間隔の標準偏差は２０ドットであったのに対して、ワイヤソーの新線を供給しない状態、すなわち新線供給速度を０ｍ／ｍｉｎとして６０分間加工を行うと、砥粒数が４個、砥粒間隔の標準偏差が１４５ドットの状態（状態２）となった。この状態に達したときに、新線供給速度を４ｍ／ｍｉｎにして加工を行うと、砥粒数、砥粒間隔の標準偏差のいずれも回復し、砥粒の配列状態が改善していることが確認された。

本発明は、シリコンインゴットを切断してウエハを製造する際などに使用される切断装置として利用することができ、ワイヤソーの摩耗状態に応じてワイヤソーの供給速度を変化させて、切断性能を高めることができる。

本発明の切断装置の一例を示す図である。ワイヤソー検査装置の一例を示す図である。ＣＣＤカメラによって撮影されたワイヤソーの静止画像の一例を示す図である。芯線の周囲に複数の砥粒が固着されてワイヤソーが形成されている様子を模式的に示す図である。検査項目を示す図である。ガイドローラに巻き付けられたワイヤソーによって被切断材を切断する際に、ワイヤソーが撓んでいる様子を示す図である。ワイヤソーの摩耗状態に関する検査結果を示す図である。ワイヤソーの砥粒脱落に関する検査結果を示す図である。

符号の説明

１ワイヤソー
２ＣＣＤカメラ
３ＬＥＤ光源
４カメラ用電源
５ＬＥＤ光源用電源
６カメラ切替器
７制御装置
８演算装置
９ディスプレイ
１０キーボード
１１マウス
２１芯線
２２ボンド層
２３砥粒
３０切断装置
３１巻出しボビン
３２プーリー
３３クーラントノズル
３４ガイドローラ
３５被切断材
３６ブロック
３７ワイヤソー検査装置
３８巻取りボビン

Claims

芯線の周囲にボンド材によって砥粒を固着したワイヤソーの長手方向に対して８０°〜９０°の角をなすように略垂直に配置された光源と、この光源からワイヤソーに照射されて透過する光を用いてワイヤソーの画像を撮影するカメラと、前記画像に基づいて少なくともワイヤソー外径、砥粒の個数、砥粒間隔、砥粒の投影面積、ボンド層の厚さを検出してワイヤソーの良否判定を行う演算装置とを有するワイヤソー検査装置を備え、前記ワイヤソー検査装置から得られるワイヤソーの表面状態に関する情報に基づいてワイヤソーの新線供給速度を定めて新線を供給し、被切断材を切断することを特徴とする切断装置。
前記ワイヤソー検査装置をワイヤソーの旧線側に配置したことを特徴とする請求項１記載の切断装置。
切断時のワイヤソーの走行速度を６００ｍ／ｍｉｎ以上２０００ｍ／ｍｉｎ以下としたことを特徴とする請求項１または２記載の切断装置。
前記ボンド材中に骨材を含まず、ボンド材の光透過率が８０％以上であるワイヤソーを用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の切断装置。