JP5172019B2 - ワイヤ放電加工装置、ワイヤ放電加工方法、薄板製造方法および半導体ウエハ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、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ワイヤ電極を並列させて、並列するワイヤ電極と被加工物との間で放電を発生させることにより、被加工物から一度に複数枚の板状部材を切り出すワイヤ放電加工装置に関する。

ワイヤ放電加工により、柱状の被加工物から薄板をスライス加工する場合、１本のワイヤ電極を複数のガイドローラ間に巻回させて並列させることで多数の切断ワイヤ部分を形成し、それぞれの切断ワイヤ部分に個別に給電し、各切断ワイヤ部分と被加工物との間で同時に放電を生ぜしめて、被加工物に対する上記スライス加工の生産性を向上させる方式が例えば特許文献１に提案されている。

上述のような構成の放電式ワイヤソーでは、加工が進行して被加工物に形成される加工溝が深くなると、加工屑が加工溝の外へ次第に排出されにくくなり、加工溝内に滞在するようになる。加工溝に加工屑が滞在すると、切断ワイヤから加工屑に対して放電する頻度が高くなることで、加工方向への放電が減少して加工速度が低下する。また、溝幅方向の放電が増大することによって加工溝幅が広がり、スライスピッチを小さくしにくくなる。 また、切断ワイヤの断線も起こりやすくなり、切断ワイヤの断線による加工面の損傷も発生しやすくなる。また、断線点でワイヤを通線して加工を再開できても、そのワイヤ断線部分では除去量が大きいため、スライスを完了した部材は、断線部分の損傷域まで研削加工で対応しなければならず、余計な加工時間と部材のロスが発生するという問題がある。そこで、ノズルを使用して加工液を加工部分に吹きかけることで、加工中に発生する加工屑を加工溝の外へ排出して、加工屑が極間に滞在しないようにする技術が、例えば特許文献２に開示されている。また、加工溝に加工液を供給する技術として、例えば、特許文献３に開示のものもある。

特開２０００−９４２２１号公報 特開昭５４−２０４８５号公報 特開平５−９６４６１号公報

しかしながら、特許文献２に開示の技術によれば、加工工程が進んで加工溝が深くなるにしたがい、スリットの先端まで加工液を供給することが困難となり、加工屑の排出能力が低下するという問題があった。また、加工溝の先端まで加工液を供給するために加工液の噴出圧を強くすれば、切断ワイヤに対して局所的に加工液圧がかかるため、切断ワイヤがたわんでしまい、加工精度が低下するという問題があった。また、切断ワイヤのたわみにより、切断ワイヤ加工面に押し付けられ、ワイヤ電極が短絡しやすくなるという問題があった。また、特許文献３に開示の技術は、砥粒を含む加工液を加工溝に供給するものであり、加工屑の排出の問題を解決するものではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工精度や加工速度の低下を抑制することのできるワイヤ放電加工装置、ワイヤ放電加工方法、薄板製造方法および半導体ウエハ製造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、本発明の１つの側面にかかるワイヤ放電加工装置は、互いに離間して並列に設けられかつ被加工物にそれぞれ対向する複数の切断ワイヤ部を有するワイヤ電極と、パルス状の加工用電圧を発生させる加工用電源と、前記複数の切断ワイヤ部に電気的に接続され、前記複数の切断ワイヤ部と前記被加工物との間に前記加工用電圧を印加する複数の給電子ユニットと、前記複数の切断ワイヤ部に沿って加工液が極間へ向かうように、前記加工液を噴出口から噴出させるノズルとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、並列する複数の切断ワイヤ部にかかる加工液圧を均一にすることが容易になり、ワイヤ電極のたわみを抑えることができる。また、極間へ安定して加工液を供給することができるので、被加工物との極間から加工屑を容易に排出することができる。これにより、加工精度や加工速度の低下を抑制することができる。

図１は、実施の形態１に係るワイヤ放電加工装置を示した斜視図である。 図２は、ノズルの概略構成を示す斜視図である。 図３は、ノズルの側面断面図である。 図４は、ノズルを噴出口側から見た正面図である。 図５は、ノズルの平面断面図である。 図６は、被加工物を切断する過程におけるノズル部分の正面断面図である。 図７は、実施の形態２に係るワイヤ放電加工装置が備えるノズルの部分拡大斜視図である。 図８は、図７に示すノズルの側面断面図である。 図９は、実施の形態３に係るワイヤ放電加工装置が備えるノズルの部分拡大斜視図である。 図１０は、図９に示すノズルの側面断面図である。 図１１は、実施の形態３の変形例に係るノズルの部分拡大斜視図である。 図１２は、図１１に示すノズルの側面断面図である。 図１３は、実施の形態４によるノズルの構造を示す説明図である。 図１４は、実施の形態４によるワイヤ分離部と分離スリット、およびワイヤの位置関係を示す詳細説明図である。 図１５は、実施の形態４における加工液逃がし口を示す説明図である。 図１６は、実施の形態１〜４の変形例における加工液ノズルの断面構造の説明図である。 図１７は、実施の形態１〜４の変形例における加工液ノズルの断面構造の説明図である。

以下に、本発明にかかるワイヤ放電加工装置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．
以下に、本発明の実施の形態の構成および動作について説明する。図１は、実施の形態１に係るワイヤ放電加工装置を示した斜視図である。本実施の形態１に係るワイヤ放電加工装置においては、ワイヤボビン１から繰り出された一本のワイヤ電極２が、順次、複数のガイドローラ３ａ〜３ｄ間を、複数回、互いに微小な間隔を隔てて巻回されて、複数の切断ワイヤ部２ａが形成されている。すなわち、ワイヤ電極２は、複数の切断ワイヤ部２ａを有する。このワイヤ電極２が巻回されて形成された切断ワイヤ部２ａの間隔が被加工物８の加工幅（厚さ）となる。すなわち、各切断ワイヤ部２ａに対して所定間隔だけ離間させて被加工物８を対向させて配置した状態で、各切断ワイヤ部２ａと被加工物８との間に電圧を印加しながら、被加工物８を各切断ワイヤ部２ａに対して切断送りすることにより、被加工物８を各切断ワイヤ部２ａで放電切断する。これにより、被加工物８が複数枚の薄板に加工される。なお、被加工物８は、素材を複数の薄板にスライスするものであって、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トなどのセラミックス、半導体デバイスウエハとなる単結晶シリコン及び／又は単結晶シリコンカーバイトなどの半導体素材、太陽電池ウエハとなる単結晶および多結晶シリコンなどの太陽電池素材などがある。半導体素材は、シリコン及びシリコンカーバイトの少なくとも一方を主成分とする材料で形成されていても良い。また、図１の例では、１本のワイヤ電極２を複数のガイドローラに巻回した例について示しているが、この場合に限らず、１本のワイヤ電極２を折り返すことにより複数の切断ワイヤ部が形成されるのであれば、その具体的な構成については特に限定しないものとする。

本実施の形態１においては、複数のガイドローラ３ａ〜３ｄは、互いに軸線方向に平行に離間して配置されている。最も高い位置にガイドローラ３ａと３ｂとが設けられ、ガイドローラ３ｂの下方の最も低い位置にガイドローラ３ｃが設けられ、ガイドローラ３ａの下方には、ガイドローラ３ｃと並んで、ガイドローラ３ｄが設けられている。

ワイヤ電極２は所定回数の巻回し後に、ワイヤ排出ローラ５より排出される。ワイヤ電極２は、ガイドローラ３ａとガイドローラ３ｂとの間の部分が、被加工物８と対向可能とされ被加工物８を加工する切断ワイヤ部２ａとなっており、図１に示すように、当該切断ワイヤ部２ａに対して微小間隔を隔てて被加工物８を対向させて配置し、放電加工処理を行う。また、ワイヤ電極２のガイドローラ３ｂとガイドローラ３ｃとの間の部分が、放電加工を行うための電圧（加工用電圧）が供給される給電ワイヤ部２ｂとなっている。

ワイヤ電極２の給電ワイヤ部２ｂには、加工電源６から給電子７Ａ，７Ｂを介して、放電加工を行うための電圧（加工用電圧）が給電され、被加工物８との間に電圧が印加される。加工電源６は互いに独立して電圧を印加できる複数の加工電源ユニット６１からなる。給電子７Ａ，７Ｂもそれぞれが互いに絶縁された複数の給電子ユニット７１，７２から構成されていて、各切断ワイヤ部２ａに独立して電圧を印加できる構成となっている。このように、並列ワイヤ電極に対して独立に電圧を印加できる複数の加工電源ユニット６１は、ワイヤ放電加工装置の制御装置（図示しない）に接続される。

なお、当然ながら、電圧印加極性は従来のワイヤ放電加工と同様に、必要に応じて適宜反転可能となっている。被加工物８は、図示しない位置制御装置により、ガイドローラ３ａ〜３ｄ間に巻回されたワイヤ電極２と微小間隙を隔てるように位置が制御されているので、適正な放電ギャップ長が維持されている。なお、加工液は図示しないが、通常のワイヤ放電加工と同様に、吹きかけもしくは浸漬により被加工物８とワイヤ電極２との間に供給されている。

図２は、ノズル８０の概略構成を示す斜視図である。図３は、ノズル８０の側面断面図である。図４は、ノズル８０を噴出口８２側から見た正面図である。ノズル８０は、加工液を噴出して、被加工物８とワイヤ電極２との間に加工液を供給する。ノズル８０には、切断ワイヤ部２ａを貫通させる貫通孔９６が形成される。ノズル８０は、貫通孔９６に切断ワイヤ部２ａを貫通させた状態で、被加工物８の両側に配置される。

ノズル８０は、本体８４、噴出口構成板９１、逃げ口構成板９２を備える。本体８４には、加工液を供給するための配管接続用孔８１が形成されている。配管接続用孔８１は、本体８４を貫通して形成されており、その一方側が栓８５で塞がれている。本体８４を貫通して形成された配管接続用孔８１の他方側には、加工液を供給する供給配管９３が接続される。なお、栓８５で塞ぐ側と供給配管９３を接続する側を逆に構成してもよい。

本体８４には、加工液を噴出する方向側と、その反対方向側に凹み部８０ａが形成されている。凹み部８０ａには、噴出口構成板９１と逃げ口構成板９２がそれぞれ取り付けられる。本体８４には、凹み部８０ａが形成された面同士を結んで、切断ワイヤ部２ａを通過させるワイヤ通過孔９４が形成される。ワイヤ通過孔９４と配管接続用孔８１とは、本体８４の内部で交差する。したがって、供給配管９３から配管接続用孔８１に供給された加工液は、ワイヤ通過孔９４の両端へと向かう。

凹み部８０ａには、ワイヤ通過孔９４を囲むように溝８０ｂが形成される。溝８０ｂにはＯリング９５が嵌め込まれて、噴出口構成板９１および逃げ口構成板９２と本体８４との隙間から加工液が漏れるのを防止する。

噴出口構成板９１は、本体８４の被加工物８に面する側に形成された凹み部８０ａに取り付けられる。噴出口構成板９１は、２枚の板部材から構成され、凹み部８０ａに取り付けられた際に互いに突き合わされる部分に切欠き９１ａが形成されている。噴出口構成板９１に形成された切欠き９１ａは、２枚の板部材が突き合わされた状態で、加工液を噴出する噴出口８２として機能する。噴出口８２は、本体８４に形成されたワイヤ通過孔９４と重なるように形成されている。

逃げ口構成板９２は、噴出口構成板９１が取り付けられた側の反対側の凹み部８０ａに取り付けられる。噴出口構成板９１は、２枚の板部材から構成され、凹み部８０ａに取り付けられた際に互いに突き合わされる部分に切欠き９２ａが形成されている。逃げ口構成板９２に形成された切欠き９２ａは、２枚の板部材が突き合わされた状態で、加工液を排出する逃げ口８３として機能する。逃げ口８３は、本体８４に形成されたワイヤ通過孔９４と重なるように形成されている。

このように、本体８４に噴出口構成板９１と逃げ口構成板９２とが取り付けられることで、噴出口８２を一端側の開口とする貫通孔９６が、噴出口８２、ワイヤ通過孔９４および逃げ口８３により構成される。なお、ワイヤ通過孔９４の端部の開口面積よりも、噴出口８２および逃げ口８３の開口面積のほうが小さくなっている。また、噴出口８２の開口面積よりも逃げ口８３の開口面積のほうが小さくなっている。

噴出口８２は極間へ加工液を供給するためのもので、逃げ口８３は切断ワイヤ部２ａをノズル８０内に通過させるためのものである。ワイヤ通過孔９４と配管接続用孔８１とが交差する部分では、本体８４内において若干の空間ができる。配管接続用孔８１から本体８４に流れ込んだ加工液は、この空間で貯められ、流れ方向を９０度変換されて噴出口８２から噴出される。

ノズル８０は、噴出口８２が被加工物８の両側に近接するように配置される。被加工物８の両側に設置されたノズル８０の噴出口８２と被加工物８の端面との間隙は、密着加工できる場合には、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍに設定される。また、被加工物８の部材種類や求められるスライス厚さによっては、加工液の噴出圧によるダメージを軽減するために、噴出口８２が被加工物８から５０ｍｍ程度離れるようにノズル８０を配置する場合もある。なお、加工屑の効率的な排出のためには、噴出口８２と被加工物８との距離は５０ｍｍ以下であることが望ましい。

また、複数の切断ワイヤ部２ａを有するワイヤ電極２は、前述の逃げ口８３からノズル８０内に挿入され、噴出口８２からノズル８０外部へ出て行く。そして、その先に対向するもう一方のノズル８０の噴出口８２からノズル８０内に挿入され、ノズル内部を通って逃げ口８３から出て行く。その後、給電子７Ａと接触して、ガイドローラ３ａ〜３ｄに巻回される。これを繰り返すことにより、ワイヤ電極２が、ノズル８０間に並列させた複数の切断ワイヤ部２ａを有するものとすることができる。

この状態で加工液をノズル８０に供給すると、供給配管９３を通って加工液がノズル８０内部に流入する。ノズル８０内部に流入した加工液は、噴出口８２から噴出され、逃げ口８３から排出される。ここで、ノズル８０内部に流入した加工液は、噴出口８２からのみ噴出して被加工物８の極間へ供給されることが望ましいが、ワイヤ電極２を通すために形成された逃げ口８３からも排出されてしまう。しかしながら、上述したように噴出口８２の開口面積よりも逃げ口８３の開口面積のほうが小さくなっているので、流れの抵抗のより小さい噴出口８２からほとんどの加工液が噴出される。逃げ口８３の大きさは、Φ０．１ｍｍのワイヤ電極２が通ればよく、なるべく小さく形成されることが望ましい。一方、あまりに小さく逃げ口８３を形成すると、ワイヤ電極２を通過させる作業の作業性が悪くなる。したがって、逃げ口８３の高さ寸法は、例えば０．５ｍｍ程度であることが望ましい。これに対し、噴出口８２の高さ寸法は、例えば５ｍｍ程度とされる。また、噴出口８２および逃げ口８３の幅寸法は並列された複数の切断ワイヤ部２ａ全体が収まる幅で形成すればよい。

図５は、ノズル８０の平面断面図である。図６は、被加工物８を切断する過程におけるノズル８０部分の正面断面図である。加工液が２つのノズル８０へ供給されると、加工液は噴出口８２から各切断ワイヤ部２ａに沿って切断ワイヤ部２ａと同軸線上に噴出されて、被加工物８へ吹き付けられる。ワイヤ電極２を走行させつつ、電圧を印加し、ステージ９７を上昇させると、ステージ９７に固定されている被加工物８が上昇する。ワイヤ電極２に被加工物８が近づくと、ワイヤ電極２との間で発生する放電によって被加工物８が加工される。放電加工により発生した加工屑は、ノズル８０から噴出される加工液によって極間から排出される。

図６に示すように、このような構成によれば、加工が進行して加工溝が深くなっても、ノズル８０の噴出口８２は常に各切断ワイヤ部２ａと同軸線上にあり、各切断ワイヤ部２ａに沿って加工液が極間へ向かうように加工液が噴出されるので、並列する複数の切断ワイヤ部２ａにかかる加工液圧を均一にすることが容易になり、ワイヤ電極のたわみを抑えることができる。また、各切断ワイヤ部２ａに沿って加工液が極間へ向かうように加工液が噴出されるので、加工過程のどの時点においても加工溝の先端に対してノズル８０から加工液を吹き付けることができ、極間へ安定して加工液を供給することができる。これにより、加工溝の深さに関わらず、加工屑を安定して加工溝から容易に排出することができる。その結果、加工方向の放電が多くなり、加工速度の低下を抑制できる。それとともに、並列する複数の切断ワイヤ部２ａによって一度に切り出される被加工物８の加工溝も、細く均一にすることが容易になるので、加工精度の低下を抑制できる。また、複数の切断ワイヤ部２ａが、噴出口８２を一端側の開口とする貫通孔９６を貫通しているので、噴出口８２から噴出される加工液が複数の切断ワイヤ部２ａに沿って噴出しやすくなり、より確実に加工溝の先端に加工液を吹き付けることができる。

また、上記のワイヤ放電加工方法によって、結晶シリコン及び／又は単結晶シリコンカーバイトなどの半導体素材、単結晶または多結晶シリコンなどの太陽電池素材、多結晶シリコンカーバイトなどのセラミックス、タングステンやモリブデンなどのスパッタリングターゲット素材を加工すると、加工速度が速くなり、加工溝幅を狭くすることができるので、１つのインゴットからより多くの部材を得ることができる。また、一度に複数枚の薄板を高い寸法精度で切り出すことができる。

また、開口面積をあまり大きくすることができない噴出口８２と逃げ口８３を、噴出口構成板９１と逃げ口構成板９２とで形成しているので、本体８４に形成されるワイヤ通過孔９４を噴出口８２や逃げ口８３よりも大きく形成することができる。これにより、ワイヤ通過孔９４に対するワイヤ電極２の通線作業の作業性を向上させることができる。また、噴出口構成板９１と逃げ口構成板９２とを２枚の板部材の突き合わせ部分で形成しているので、本体８４にワイヤ電極２を通過させた後で、噴出口構成板９１および逃げ口構成板９２を構成する２枚の板部材を、ワイヤ電極２を挟み込むように取り付ければ、容易に噴出口８２と逃げ口８３を形成することができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係るワイヤ放電加工装置が備えるノズル１８０の部分拡大斜視図である。図８は、図７に示すノズル１８０の側面断面図である。実施の形態１と同様の構成については、同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施の形態２では、ワイヤ電極２（複数の切断ワイヤ部２ａ）の通線作業をより一層容易にするためにノズル構成の変更を行っている。

本実施の形態２では本体１８４を、貫通孔９６（噴出口８２、ワイヤ通過孔９４、逃げ口８３）を挟んでワイヤ電極２の貫通方向および並列方向と略垂直な方向に分割できる構造としている。より具体的には、図７、図８に示すように、本体１８４が、供給配管９３の接続される基部１８５と、基部１８５に対して上下に分割可能とされた蓋部１８６とを備えて構成される。すなわち、基部１８５と蓋部１８６とは、貫通孔９６を挟んで互いに分割可能に構成されている。基部１８５に対して蓋部１８６が取り付けられた状態で、基部１８５と蓋部１８６との間に形成される空間がワイヤ通過孔９４となる。基部１８５と蓋部１８６との対向面１８５ａ，１８６ａには、段差が設けられている。これにより、噴出口８２の開口面積よりも、逃げ口８３の開口面積を小さくすることができる。

以上のように、本体１８４は、ワイヤ通過孔９４を挟んで上下に分割可能とされているので、蓋部１８６を取り外せば、基部１８５における切断ワイヤ部２ａを通過させるべき（配置すべき）部分（貫通孔９６）を開放させることができる。したがって、基部１８５を加工機に設置した状態で、ワイヤ電極２（複数の切断ワイヤ部２ａ）を並列するように通線（配置）してから、蓋部１８６を基部１８５に取り付ければ（組み合わせれば）、通線作業が完了するので、複数の切断ワイヤ部２ａの通線作業がより一層容易になる。基部１８５と蓋部１８６との隙間からの液漏れを防止するためのシールは、ワイヤ電極２の通線方向と平行に溝加工した溝１８５ｂに棒状のシールゴム（図示せず）をはめ込めばよい。また、ワイヤ通過孔９４の断面積を小さくしても、蓋部１８６を取り外せば、容易に複数の切断ワイヤ部２ａの通線作業を行えるので、噴出口構成板９１や逃げ口構成板９２を用いずに通線作業の容易化を図ることができる。これにより、部品点数の削減や工数の削減を図ることができる。なお、実施の形態１と同様に噴出口構成板９１や逃げ口構成板９２を用いても構わない。

また、複数の切断ワイヤ部２ａの通線作業が容易化されるので、ワイヤ電極２を巻回する回数を増やして、切断ワイヤ部２ａの並列数を多くしやすくなる。また、切断ワイヤ部２ａの並列数を増やしても、ワイヤ通過孔９４にワイヤ電極２（複数の切断ワイヤ部２ａ）を１本１本通線する必要がないので、段取り作業にかかる手間や時間を抑えることができる。

また、上記のワイヤ放電加工方法によって、結晶シリコン及び／又は単結晶シリコンカーバイトなどの半導体素材、単結晶または多結晶シリコンなどの太陽電池素材、多結晶シリコンカーバイトなどのセラミックス、タングステンやモリブデンなどのスパッタリングターゲット素材を加工すると、加工速度が速くなり、加工溝幅を狭くすることができるので、1つのインゴットからより多くの部材を得ることができ、また、一度に複数枚の薄板を高い寸法精度で切り出すことができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係るワイヤ放電加工装置が備えるノズル１８０の部分拡大斜視図である。図１０は、図９に示すノズル１８０の側面断面図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。

上述の実施の形態１においては、配管接続用孔８１が１個であり、そこから本体１８４の内部に加工液が流入する。配管接続用孔８１は、本体１８４の中心に加工されており、並列する切断ワイヤ部２ａは、この配管接続用孔８１の直上を通過する。切断ワイヤ部２ａの並列数が多くなる、あるいは、並列間隔が狭くなると、切断ワイヤ部２ａは配管接続用孔８１から吹き上げてくる加工液圧力によって、一部の切断ワイヤ部２ａがたわんでしまう場合がある。この状態で被加工物８の端面食いつき加工を行うと、例えば、２０本の切断ワイヤ部２ａを持つ場合、まず両端の切断ワイヤ部２ａから放電が始まり、徐々に内側の切断ワイヤ部２ａで放電が発生していく。したがって、被加工物８の位置によって、加工工程の進度が異なり、被加工物８の切り落ちのタイミングにばらつきが生じてしまう。切り落ちのタイミングにばらつきが生じることで、加工が不安定となってワイヤ断線の可能性が高くなる。すなわち、切断ワイヤ部２ａの並列数が多い場合における被加工物８の安定した切断加工のためには、被加工物８の位置による加工進度のばらつきを抑えることが重要となる。

実施の形態３においては、並列する切断ワイヤ部２ａが加工液によってたわまないように、ノズル１８０内に流れ込むときの加工液の圧力を分散する構成を採用する。

本実施の形態３においては、配管接続用孔８１が途中で分岐して２本の流路になっている。配管接続用孔８１が２本の流路に分岐することで、配管接続用孔８１の入口８１ａの面積よりも出口８１ｂの面積が大きくなっている。すなわち、ノズル１８０では、加工液が供給配管９３を通ってノズル１８０に流入する流路の断面積よりも、ノズル１８０に流入した加工液がノズル１８０内を通ってノズル１８０内の貫通孔９６に流入する流路の断面積が大きくなっている。これにより、本体１８４内部への加工液の流入速度を減速させることができる。加工液の流入速度を減速させることで、切断ワイヤ部２ａに加わる加工液圧力を低下させることができる。これにより、切断ワイヤ部２ａのたわみを抑えて、加工進度のばらつきを抑えることができる。また、加工進度のばらつきを抑えることで、ワイヤ電極２の断線の危険性を減らし、被加工物８を安定して加工することができる。

図１１は、本実施の形態３の変形例に係るノズル１８０の部分拡大斜視図である。図１２は、図１１に示すノズル１８０の側面断面図である。本変形例では、配管接続用孔８１の出口８１ｂの孔形状を、切断ワイヤ部の並列幅と略等しい幅寸法の長方形形状にすることで、加工液圧力が切断ワイヤ部２ａの並列方向全体に加わるようにし、切断ワイヤ部２ａのたわみを略均一にする。これにより、被加工物８の加工進度のばらつきを抑えて、ワイヤ電極２の断線の危険性を減らし、被加工物８を安定して加工することができる。

また、上記のワイヤ放電加工方法によって、結晶シリコン及び／又は単結晶シリコンカーバイトなどの半導体素材、単結晶または多結晶シリコンなどの太陽電池素材、多結晶シリコンカーバイトなどのセラミックス、タングステンやモリブデンなどのスパッタリングターゲット素材を加工すると、放電加工中にワイヤ間に作用する電磁力が相殺、あるいは、軽減され、ワイヤ電極のたわみが防止されるので、一度に複数枚の薄板を高い寸法精度で切り出すことができる。

実施の形態４．
前述した実施の形態１あるいは２では、被加工物の近傍に設置したノズルから加工液を加工部分に噴出する構成のために、ノズルを通って噴出した加工液の加工溝内への流入により、加工溝内に加工液の流れが生じ、加工溝が深くなっても加工屑が加工溝外へ排出されるため良好な加工状態が維持される。このように、ノズルによる加工溝内への加工液の噴出は、加工状態を良好に維持するために適したものであるが、ワイヤ電極は複数のガイドローラ間に巻回させた状態で長さ方向へ走行させるので、ワイヤ電極はノズル内を通過させる必要がある。したがって、ノズルには、被加工物と対向する面に設けた加工液の噴出口だけでなく、噴出口を設置した面と反対側にもワイヤを通過させる通過口（逃げ口）を設ける必要がある。すなわち、被加工物をはさんで両側にノズルを設置した場合、ワイヤ電極は一方のノズルの通過口からノズル内に導入され、噴出口からノズル外に導出されるとともに加工溝内に導入され、さらに加工溝内から導出されるとともに他方のノズルの噴出口からノズル内に導入され、通過口からノズル外に導出される構成となる。

このような構成において、加工液を加工溝へ噴出するべく高圧の加工液をノズル内に導入すると、加工液は噴出口からだけでなく通過口からも噴出するため、ポンプの動力を有効に活用できない。このような事態を避けるため、実施の形態１では通過口の大きさを極力小さく設定することを提案している。しかし、生産性の向上を目的として、多くの加工溝を同時に加工する構成をとる場合には、ワイヤ電極の巻回数が多くなるため噴出口のみならず通過口（逃げ口）も大きくならざるを得ず、通過口（逃げ口）からも相当量の加工液が噴出するため、巨大な加工液ポンプが必要とされる。したがって、多数のスライス加工を同時並列的に実行する際の処理効率の向上について、前述した実施の形態１あるいは２には改善の余地がある。

また、噴出口から噴出させる加工液の圧力を高めるほど加工溝の奥深くまで加工液が流入して加工状態が安定するが、加工液圧を高めると通過口からも高圧の加工液が噴出する。ノズルの通過口は、ワイヤ電極へ給電する給電子や、ワイヤ電極の走行をガイドするガイドローラに対向していることが多い。給電子やガイドローラは、その表面に形成した溝内にワイヤ電極を保持して給電もしくはワイヤ電極位置の固定を行なう場合が多いが、通過口から高圧で噴出する加工液流が衝突するとワイヤ電極が振動し、給電不良やワイヤ電極の位置ずれが生じる可能性がある。したがって、加工溝の形状精度の低下を抑制することや、薄板、特に半導体ウエハなどの硬脆材料の薄板が割れることを抑制することについても、前述した実施の形態１あるいは２には改善の余地がある。

実施の形態４では、前述の課題を改善することを目的としている。互いに離間して並列して設けられかつ被加工物にそれぞれ対向する複数の切断ワイヤ部を有するワイヤ電極と、パルス状の加工用電圧を発生させる加工用電源と、前記複数の切断ワイヤ部に電気的に接続され、前記複数の切断ワイヤ部と前記被加工物との間に前記加工用電圧を印加する複数の給電子ユニットと、前記複数の切断ワイヤ部に沿って加工液が極間へ向かうように、前記加工液を噴出するノズルを備えたワイヤ放電加工装置において、前記ノズルには、前記加工液を噴出する噴出口と、前記噴出口の反対側に設置された複数のスリットとを設け、前記複数の切断ワイヤは、前記噴出口と前記複数のスリットとを介して前記ノズルを貫通し、前記ノズルは、前記複数の切断ワイヤ部を通過させる前記複数のスリットを形成する切断ワイヤ分離部を有する。また、前記切断ワイヤ分離部は、前記複数の切断ワイヤ部を通過させる複数のスリットの間の部分を（例えば、すべて）塞ぐように構成する。前記切断ワイヤ分離部は、マシナブルセラミックスなど削られ易い材料で形成する。前記ノズルは，前記噴出口と前記複数のスリット以外に、余分な加工液を排出する加工液逃がし口を設ける。

以下に、実施の形態４の構成および動作について説明する。実施の形態４に係るワイヤ放電加工装置の構成は実施の形態１と同様に図１の斜視図で示される。４本のガイドローラ３ａ〜３ｄは、互いに軸線方向に平行に離間して配置されている。ワイヤボビン１から繰り出されたワイヤ電極２は、順次、ガイドローラ３ａ〜３ｄ間を、複数回、互いに微小な間隔を隔てて巻回された後、ワイヤ排出ローラ５より排出される。ここで、ワイヤ電極２のうち、ガイドローラ３ａとガイドローラ３ｂとの間に平行張架された部分が、切断ワイヤ部２ａとなる。

被加工物８は図示しない位置制御装置により切断ワイヤ部２ａと微小距離だけ離間させた状態で対向配置した状態が保たれている。加工電源６は、給電子７Ａ，７Ｂを介して、切断ワイヤ部２ａに接続され、微小距離だけ離間した被加工物８との間に電圧を印加して放電を生ぜしめる。

ここで、切断ワイヤ部２ａは、上述のようにガイドローラ３ａ、３ｂ間に平行張架されたワイヤにより構成されるが、加工電源６も互いに絶縁された複数の加工電源ユニット６１から構成されており、さらに給電子７Ａ，７Ｂも互いに絶縁された複数の給電子ユニット７１から構成されていて、それぞれの切断ワイヤには、対応するそれぞれの加工電源ユニット６１からそれぞれの給電子ユニット７１を介して給電される構成となっていて、それぞれの切断ワイヤには独立して電圧を印加可能な状態となっている。

なお、当然ながら、加工電源６が電圧を印加する極性は従来のワイヤ放電加工機と同様に、必要に応じて適宜反転可能となっている。

上述のように、被加工物８は、切断ワイヤ部２ａと適正な放電ギャップが維持されるように、図示しない位置制御装置により常に微小間隙を隔てて位置が制御されているので、放電により加工溝が形成されるにしたがって、被加工物８は切断ワイヤ部２ａの方向に徐々に送り込まれて加工溝が深くなり、最終的には被加工物８が薄板状に切断加工される。

ここで、被加工物８は、複数の薄板へのスライス加工を要するものであって、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トなどのセラミックス、半導体デバイスウエハとなる単結晶シリコン及び／又は単結晶シリコンカーバイトなどの半導体素材、太陽電池ウエハとなる単結晶および多結晶シリコンなどの太陽電池素材などがある。半導体素材は、シリコン及びシリコンカーバイトの少なくとも一方を主成分とする材料で形成されていても良い。

また、図１の例では、１本のワイヤ電極２を４本のガイドローラに巻回した例について示しているが、この場合に限らず、１本のワイヤ電極２から複数の切断ワイヤ部を形成するものであれば、その具体的な構成については特に限定しないものとする。また、給電子は、切断ワイヤ部２ａに対して、給電子７Ａのように、ガイドローラ３ｂを介して少し離れた状態で設置しても良いし、給電子７Ｂのように、被加工物８とガイドローラ３ａとの間で被加工物の近くに設置してもよい。

ノズル２８０は、加工液を加工溝へ噴出するため、被加工物８に近接設置する構成となっており、本実施の形態の中心となる部分であるので、図１３および図１４を用いて詳しく説明する。図１３は、実施の形態４によるノズル２８０の構造を示す説明図である。図１３（ａ）は、通過口２８２側におけるノズル２８０の外観を示す斜視図であり、図１３（ｂ）は、噴出口２８１側におけるノズル２８０の外観を示す斜視図であり、図１３（ｃ）は、蓋部２８７が基部２８８及びワイヤ分離部２８３から分割された状態を示す図である。図１４は、実施の形態４によるワイヤ分離部２８３と分離スリット２８４、およびワイヤ２の位置関係を示す詳細説明図、図１５は、実施の形態４における加工液逃がし口２８６を示す説明図である。

ノズル２８０は被加工物をはさんで両側に設置されており、複数の切断ワイヤ部２ａを有するワイヤ電極２が内部を貫通する構造をもっている。すなわち、ノズル２８０の被加工物との対向面には加工液の噴出口２８１が設けられており、噴出口２８１と反対側には通過口２８２が設けられている。通過口２８２は、複数の分離スリット２８４を有する。したがって、切断ワイヤ部２ａは一方のノズル２８０の通過口２８２（複数の分離スリット２８４）からノズル２８０内に導入され、噴出口２８１からノズル２８０外に導出されるとともに加工溝内に導入され、さらに加工溝内から導出されるとともに他方のノズル２８０の噴出口２８１からノズル２８０内に導入され、通過口２８２（複数の分離スリット２８４）からノズル２８０外に導出される構成となっている。

さらに、図１３に示すように、噴出口２８１と反対側に設置された通過口２８２（複数の分離スリット２８４）には、切断ワイヤ分離部２８３が設けられている。切断ワイヤ分離部２８３には、切断ワイヤ部２ａにおけるワイヤ電極２の設置間隔と概ね同じ間隔で複数の分離スリット２８４が刻まれており、図１４に示すように、複数の切断ワイヤ部２ａのそれぞれが、対応する分離スリット２８４を通過するように構成されている。したがって、切断ワイヤ部２ａは、一方のノズル２８０のワイヤ分離部２８３に刻まれた分離スリット２８４を通ってノズル２８０内に導入され、噴出口２８１からノズル２８０外に導出されるとともに加工溝内に導入され、さらに加工溝内から導出されるとともに他方のノズル２８０の噴出口２８１からノズル２８０内に導入され、ワイヤ分離部２８３に刻まれた分離スリット２８４を通ってノズル２８０外に導出される構成となっている。

複数の切断ワイヤ部２ａを有するワイヤ電極２は、ワイヤ分離部２８３において、それぞれに対応する別々の分離スリット２８４を通過するから、ノズル２８０における、並行設置された複数の切断ワイヤ部２ａの間の部分が塞がれる構成となるため、通過口２８２（複数の分離スリット２８４）の開口面積はこれまでよりも大幅に小さくなる。

加工液は、図示しないポンプにより加圧され、さらに図示しない配管およびノズル２８０に設置した配管接続用穴２８５を経由してノズル２８０内へ導入され、噴出口２８１から被加工物８および加工溝へ向けて噴出されると共に、通過口２８２に設置したワイヤ分離部２８３に刻まれた分離スリット２８４を経由して外部へ噴出する。

なお、噴出口２８１には実施の形態１と同じく、ワイヤ分離部２８３は設置せず、一つの噴出口２８１に複数の切断ワイヤ部２ａが通線されている。このため、複数の切断ワイヤ部２ａが近接配置されている場合にも噴出口側での圧力損失が低減され、十分な圧力と流量を確保できる。

以上のように、本実施の形態４の構成によれば、噴出口２８１と反対側に切断ワイヤ分離部２８３を設け、さらに切断ワイヤ分離部２８３には、略平行に設置された複数の切断ワイヤ部２ａの設置間隔と概ね同じ間隔で複数の分離スリット２８４を刻んで、各切断ワイヤ部２ａがそれぞれ対応する分離スリット２８４を通過するように構成されている。これにより、通過口２８２（複数の分離スリット２８４）の開口面積を大幅に低減でき、ノズル２８０内に導入した加工液を噴出口２８１から加工溝へ噴出する際に、噴出口２８１と反対側（通過口２８２側）から噴出する加工液の量を抑制できる。このため、加工液加圧ポンプの動力を有効に活用でき、さらに通過口２８２から高圧で噴出して給電子やガイドローラに衝突する加工液流を少なくできるので、切断ワイヤ部の振動を低減でき、ワイヤ振動に起因する給電不良やワイヤの位置ずれを防止できる。この結果、加工溝の加工精度を向上でき、さらに薄板、特に半導体ウエハなどの硬脆材料の薄板の折損を防止できる効果を奏する。

なお、上記実施の形態ではあらかじめワイヤ分離部２８３に分離スリット２８４を形成して切断ワイヤ部２ａを通過させたが、ワイヤ分離部２８３をマシナブルセラミックスなど削れ易い材料を用いて分離スリット２８４を形成しない状態で設置し、ワイヤ放電加工装置の運転に伴う切断ワイヤ部２ａの走行によりワイヤ分離部が削られることにより自動的に分離スリット２８４を形成するよう構成してもよい。この場合、あらかじめ分離スリット２８４を形成する手間が省ける効果が生じる。

また、上記実施の形態では、通過口２８２から噴出する加工液を抑制するためには、ワイヤ分離部２８３は、ノズル２８０における分離スリット２８４の間の部分を全て塞ぐよう構成し、噴出口２８１の反対側（通過口２８２側）を通過する加工液は全て分離スリット２８４を通過するよう構成するのが望ましい。一方、そのような構成では噴出口２８１が被加工物と密着状態となった際に圧力が高くなりすぎる危険がある場合などには、必要に応じて噴出口２８１の反対側（通過口２８２側）で余分な加工液をリークさせるための開口をワイヤ分離部２８３の一部に空けた状態とし、その余分な加工液の一部は分離スリット２８４を通過せずに、そのリークさせるための開口より排出するよう構成しても良い。

また、図１５に示すようにノズル２８０に加工液逃がし口２８６をさらに設置し、噴出口２８１以外からの余分な加工液の排出を主として通過口２８２ではなく加工液逃がし口２８６により行なうよう構成すれば、加工液圧力が不必要に高まる危険を回避しつつ、給電子やガイドローラに高圧の加工液が衝突してワイヤを振動させる可能性も低くすることができる。

本実施の形態４により、加工液を効率よく噴出口から噴出させるようになり、小さな容量のポンプを用いて必要十分な加工屑排出作用を発揮させ、さらに給電不良やワイヤ位置ずれを発生させることなく多数の並列スライス加工を実現できる。また、加工液加圧ポンプの動力を有効に活用できる効果を奏する。また、ワイヤ分離部にあらかじめスリットを形成する手間が省ける効果を奏する。また、加工液圧力が不必要に高まる危険を回避しつつ、給電子やガイドローラに高圧の加工液が衝突してワイヤが振動することを防止する効果を奏する。

なお、実施の形態１〜４で述べたノズルに代えて、図１６又は図１７に示すノズルを用いても良い。図１６、図１７は、実施の形態１〜４の変形例におけるノズルの断面構造を示す断面図である。

たとえば、実施の形態２における図８に示す断面形状のノズル１８０の場合、加工液が供給配管９３から配管接続用孔８１を通ってノズル１８０内部に流入すると、流入した加工液はノズル１８０内部の対向面１８６ａに衝突して四散する。そのために、噴出口８２だけでなく逃げ口８３へも加工液が流れ込みやすい。実施の形態１〜４のノズルの目的は、ワイヤ放電加工中の極間へ加工液を圧入することであり、逃げ口８３から加工液が排出されると、加工液の液圧が低下するため、本来加工液を供給したい側である噴出口８２からの加工液量が減少する可能性がある。

それに対して、図１６あるいは図１７のように、配管接続用孔３８１、４８１のノズル３８０、４８０内部の貫通孔９６への出口穴が、加工液の逃げ口８３がある方向とは逆方向を向き、さらに噴出口８２がある方向を向いている。すなわち、図１６、１７に示すノズル３８０、４８０では、供給配管９３を通ってノズル３８０、４８０に流入した加工液がノズル３８０、４８０内（の配管接続用孔３８１、４８１）を通ってノズル３８０、４８０内の貫通孔９６に流入する部分の流路が、噴出口８２の側を向いている。

より具体的には、図１６に示すノズル３８０では、貫通孔９６に流入する部分の流路が、貫通孔９６に近づくにしたがって噴出口８２に近くなるように傾斜して延びている。言い換えると、配管接続用孔３８１における貫通孔９６に流入する部分の中心軸は、貫通孔９６に近づくにしたがって噴出口８２に近くなるように傾斜して延びている。

また、図１７に示す２つのノズル４８０のそれぞれでは、貫通孔９６に流入する部分の流路が、貫通孔９６の中心軸からシフトした位置において、貫通孔９６の中心軸に沿った方向（例えば、貫通孔９６の中心軸に略平行な方向）へ延びている。言い換えると、２つの配管接続用孔４８１のそれぞれにおける貫通孔９６に流入する部分の中心軸は、貫通孔９６の中心軸からシフトしているとともに、貫通孔９６の中心軸に沿った方向（例えば、貫通孔９６の中心軸に略平行な方向）へ延びている。さらに、２つの配管接続用孔４８１における貫通孔９６に流入する部分の２つの中心軸は、貫通孔９６の中心軸に対して対称な位置に配されている。これにより、並列する複数の切断ワイヤ部２ａにかかる加工液圧を均一にすることがさらに容易になる。

これにより、ノズル３８０、４８０内部に流入した加工液は噴出口８２側へ積極的に流れるようになり、逃げ口８３側に逆流する加工液流量を大幅に減少させることができる。このようにノズル３８０、４８０内部の貫通孔９６への加工液の供給経路を変更したノズルによって加工液を放電加工中の極間へ効率よく供給できるようになる。

本変形例により、噴出口からの加工液排出量を多く、逃げ口からの加工液排出量を少なくできるようになり、容量の小さいポンプでも必要十分な加工屑排出作用を発揮させ、さらに給電不良やワイヤ位置ずれを発生させることなく多数の並列スライス加工を実現できる。また、加工液加圧ポンプの動力を有効に活用できる効果を奏する。また、給電子やガイドローラに高圧の加工液が衝突してワイヤが振動することを防止する効果を奏する。

以上のように、本発明にかかるワイヤ放電加工装置は、薄板の製造に有用であり、特に高い寸法精度を要求される半導体素材、太陽電池素材の製造に適している。

１ ワイヤボビン
２ ワイヤ電極
２ａ 切断ワイヤ部
２ｂ 給電ワイヤ部
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ ガイドローラ
５ ワイヤ排出ローラ（巻取りボビン）
６ 加工電源
７Ａ，７Ｂ 給電子
８ 被加工物
６１ 加工電源ユニット
７１，７２ 給電子ユニット
８０ ノズル
８０ａ 凹み部
８０ｂ 溝
８１ 配管接続用孔
８１ａ 入口
８１ｂ 出口
８２ 噴出口
８３ 逃げ口
８４ 本体
８５ 栓
９１ 噴出口構成板
９１ａ 切欠き
９２ 逃げ口構成板
９２ａ 切欠き
９３ 供給配管
９４ ワイヤ通過孔
９５ Ｏリング
９６ 貫通孔
９７ ステージ
１８０ ノズル
１８４ 本体
１８５ 基部
１８５ａ 対向面
１８５ｂ 溝
１８６ 蓋部
１８６ａ 対向面
２８０ ノズル
２８１ 噴出口
２８２ 通過口
２８３ ワイヤ分離部
２８４ 分離スリット
２８５ 配管用接続穴
２８６ 加工液逃がし口
３８０ ノズル
３８１ 配管接続用孔
４８０ ノズル
４８１ 配管接続用孔

Claims (9)

1. 互いに離間して並列に設けられかつ被加工物にそれぞれ対向する複数の切断ワイヤ部を有するワイヤ電極と、
   パルス状の加工用電圧を発生させる加工用電源と、
   前記複数の切断ワイヤ部に電気的に接続され、前記複数の切断ワイヤ部と前記被加工物との間に前記加工用電圧を印加する複数の給電子ユニットと、
   前記複数の切断ワイヤ部に沿って加工液が極間へ向かうように、前記加工液を噴出口から噴出させるノズルと、
   を備え、
   前記ノズルには、
   前記複数の切断ワイヤ部を互いに分離された状態で通過させる複数のスリットが前記噴出口の反対側に設けられ、
   前記複数の切断ワイヤ部は、前記噴出口と前記複数のスリットとを介して前記ノズルを貫通する
   ことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
2. 前記ノズルは、
   前記複数のスリットを形成するとともに、前記複数のスリットの間の部分を塞ぐように構成された切断ワイヤ分離部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤ放電加工装置。
3. 前記切断ワイヤ分離部は、削られ易い材料で形成され、
   前記複数のスリットは、前記ワイヤ放電加工装置の運転に伴う前記複数の切断ワイヤ部の走行によって前記切断ワイヤ分離部に自動的に形成される
   ことを特徴とする請求項２に記載のワイヤ放電加工装置。
4. １本のワイヤが複数のガイドローラ間を複数回巻き掛けられ、互いに離間して並列に設けられかつ被加工物にそれぞれ対向する複数の切断ワイヤ部を有するワイヤ電極と、
   前記複数の切断ワイヤ部に電気的に接続され、前記複数の切断ワイヤ部と前記被加工物との間に加工用電圧を印加する複数の給電子ユニットと、
   前記複数の給電子ユニットが接続された前記切断ワイヤ部と前記被加工物との間にパルス状の前記加工用電圧を発生させる加工用電源と、
   前記複数の切断ワイヤ部に沿って加工液が極間へ向かうように、前記加工液を噴出口から前記被加工物に向けて噴出させるノズルと、
   を備え、
   前記ノズルには、前記噴出口を一端側の開口とする貫通孔が形成され、
   前記複数の切断ワイヤ部は、前記貫通孔を介して前記ノズルを貫通し前記極間へ延びており、
   前記貫通孔は、前記複数の切断ワイヤ部の全体が収納される幅を有するとともに前記幅より短い高さを有する幅広形状を有し、
   前記噴出口の開口面積よりも前記貫通孔の他端側の開口面積のほうが小さい
   ことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
5. 前記ノズルは、前記複数の切断ワイヤ部を含む面に沿った平面を境として分割可能な複数の部材で構成され、ワイヤ通線作業時には、前記複数の部材を分離し、前記ノズルの貫通孔を開放し、前記複数の切断ワイヤ部が前記ノズルの前記貫通孔内に通線された後に前記複数の部材が再び組み合わされる
   ことを特徴とする請求項４に記載のワイヤ放電加工装置。
6. 請求項４に記載のワイヤ放電加工装置により、複数の切断ワイヤ部によって被加工物をスライス加工する
   ことを特徴とするワイヤ放電加工方法。
7. 請求項４に記載のワイヤ放電加工装置を用いて、複数の切断ワイヤ部によって被加工物を複数枚の薄板へ加工する
   ことを特徴とする薄板製造方法。
8. 請求項４に記載のワイヤ放電加工装置を用いて、複数の切断ワイヤ部によって半導体素材を複数枚の半導体ウエハへ加工する
   ことを特徴とする半導体ウエハ製造方法。
9. 前記半導体素材は、シリコン及びシリコンカーバイドの少なくとも一方を主成分とする材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項８に記載の半導体ウエハ製造方法。

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