JP5362053B2 - ワイヤーソー用ローラー - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池、半導体シリコン、磁性体、サファイアあるいはＳｉＣなどの結晶系材料のスライス加工に使用されるワイヤーソーのガイドに用いられるワイヤーソー用ローラーに関する。

固定砥粒ワイヤーソーを用いた結晶系材料のスライス加工においては、従来、図６に示すようなマルチワイヤーソー装置１００が用いられている。マルチワイヤーソー装置１００においては、ワイヤーソー１０１をガイドするための複数のガイド溝１０２が外周に形成された複数のワイヤーソー用ローラー１０３が、それぞれの軸心１０３ｃが互いに平行をなすように配置され、繰り出しボビン（図示せず）から供給されるワイヤーソー１０１を各ガイド溝１０２に掛けて一定張力で平行に張り、複数のワイヤーソー用ローラー１０３の間で往復運動するワイヤーソー１０１に被加工物であるインゴット１０４を押し当ててスライス加工することによってウェーハが作製されている。

図７に示すように、従来のワイヤーソー用ローラー１０３は、ガイド溝１０２の横断面形状がＶ字状であるため、横断面形状が円形状のワイヤーソー１０１がガイド溝１０２に掛けられたとき、横断面図で見た状態においては、ワイヤーソー１０１の外周とガイド溝１０２の内壁面１０２ａとが点接触している。このため、スライス加工中のワイヤーソー１０１の振れが大きく、特に、ワイヤーソー用ローラー１０３が新品である場合、ウェーハに「うねり」が発生する。ここで、「うねり」とは、「ＪＩＳ Ｂ ０６０１」に基づいて計測したウェーハ表面の輪郭曲線の最大断面高さＷｔ（単位：μｍ）をいう。

このような「うねり」は、１０ショット程度のスライス加工を行うことにより、ワイヤーソー用ローラー１０３のガイド溝１０２をワイヤーソー１０１に馴染ませると、約２０μｍ以下に抑制することができるが、この状態に至るまでに多くの時間とコストを必要とする。

また、図７に示すように、ガイド溝１０２の横断面形状がＶ字状である場合、ワイヤーソー１０１の切れ味が低下したとき、加工中の圧力によりガイド溝１０２内においてワイヤーソー１０１が暴れ、これによってウェーハにうねりが発生することがある。

そこで、このような問題を解決するため、断面形状がＵ字状のガイド溝を備えた「ワイヤーソー用加工用ローラー（例えば、特許文献１参照。）」あるいは断面形状が半円形状の環状溝を備えた「ワイヤーソー用ローラー」が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平１０−４４１４０号公報 特開平０１−２４０２６４号公報

特許文献１記載の「ワイヤーソー用加工用ローラー」は、ワイヤー飛びを抑制することができる点では優れているが、ワイヤーソーとローラーの溝との接触面積が広いので、摩耗及び熱が発生しやすく、ワイヤーソーの寿命が低下する。また、溝の断面形状がＵ字状であるため、ワイヤーソーを溝に入れる作業が困難である。

一方、特許文献２記載の「ワイヤーソー用ローラー」は、うねりを抑制することができる点では優れているが、ワイヤーソーと溝との接触面積を確保しようとすると、溝のピッチを小さくすることが困難となる。

本発明が解決しようとする課題は、使用開始時における被加工物のうねり発生を低減することができ、ワイヤーソーの飛び及び寿命低下を抑制することができ、耐久性にも優れたワイヤーソー用ローラーを提供することにある。

本発明のワイヤーソー用ローラーは、ワイヤーソーをガイドする横断面形状がＶ字状をなす複数のガイド溝が周方向に沿って環状に形成されたワイヤーソー用ローラーにおいて、前記ガイド溝を構成する二つの内壁面の当該ガイド溝の底部より高い領域に、前記ガイド溝内に掛けられたワイヤーソーの外周の一部が嵌入可能であって横断面形状の少なくとも一部が円弧状をなす凹溝を当該ガイド溝の長手方向に沿って設けたことを特徴とする。

このような構成とすれば、ガイド溝にワイヤーソーが掛けられたとき、ワイヤーソーの外周の一部が凹溝の内壁面に面接触した状態となり安定保持されるので、ワイヤーソーの振れが抑制され、使用開始時における被加工物のうねり発生を低減することができ、ワイヤーソーの飛びも抑制される。また、凹溝の内壁面と接触するのはワイヤーソーの外周の一部であり、その接触面積は比較的狭く、摩擦や発熱が生じ難いので、ワイヤーソーの寿命低下を抑制することができ、ガイド溝や凹溝の摩耗も減少するので、耐久性にも優れている。

ここで、二つの前記凹溝の横断面形状を形成する円弧の中心の位置が同一であることが望ましい。このような構成とすれば、横断面形状が円形状をしたワイヤーソーの外周の一部が二つの凹溝内にそれぞれ嵌入され、据わりが良くなるので、被加工物のうねり発生が低減され、ワイヤーソーの飛び及び寿命低下を抑制する上で有効である。

また、前記ガイド溝を構成する二つの内壁面のなす角度をθ（度）とし、前記凹溝の横断面形状を形成する円弧の曲率半径をＲ（ｍｍ）とし、前記円弧の中心から二つの前記内壁面の仮想交線までの距離をＤ（ｍｍ）としたとき、０ ＜ Ｄ ≦ Ｒ／ｓｉｎ（θ／２）−０．０２ であることが望ましい。

このような構成とすれば、ガイド溝に掛けられたワイヤーソーの外周と凹溝の内壁面との接触面積を適度に確保することができ、ワイヤーソーの据わりが良くなるので、被加工物のうねり発生を低減し、ワイヤーソーの飛びを抑制する上で有効である。

なお、前述した距離Ｄがｒ／ｓｉｎ（θ／２）−０．０２より大きくなると、ワイヤーソーの外周と凹溝の内壁面との接触面積が小さくなり、据わりが悪くなるので、被加工物のうねりが増加し、ワイヤーソーの飛びが発生し易くなる。

さらに、前記凹溝の横断面形状を形成する円弧の曲率半径Ｒがワイヤーソーの半径ｒの１．０１〜１．４倍であることが望ましい。

このような構成とすれば、凹溝内におけるワイヤーソーの据わりが良好となるので、加工精度の向上に有効である。なお、前述した曲率半径Ｒがワイヤーソーの半径ｒの１．０１倍より小さくなると、ワイヤーソーの外周の一部が凹溝内に入り難くなるので、据わりが悪化し、１．４倍より大となると、凹溝内でワイヤーソーが大きく暴れるようになるので、被加工物のうねりが増大する。

本発明により、使用開始時における被加工物のうねり発生を低減することができ、ワイヤーソーの飛び及び寿命低下を抑制することができ、耐久性にも優れたワイヤーソー用ローラーを提供することができる。

本発明の実施形態であるワイヤーソー用ローラーの使用状態を示す一部省略斜視図である。 図１に示すワイヤーソー用ローラーのガイド溝の横断面図である。 図２の一部拡大図である。 距離Ｄとウェーハのうねりとの関係を示すグラフである。 凹溝の曲率半径Ｒとウェーハのうねり及びワイヤーソーの摩耗量との関係を示すグラフである。 従来のマルチワイヤーソー装置を示す一部省略斜視図である。 従来のワイヤーソー用ローラーのガイド溝の横断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。図１，図２に示すように、本実施形態のワイヤーソー用ローラー１０においては、円筒体１０ａの外周に、ワイヤーソーＷをガイドするための複数のガイド溝１１が周方向に沿って環状に形成され、横断面形状がＶ字状をなすガイド溝１１を構成する二つの内壁面１１ａの当該ガイド溝１１の底部１１ｂより高い領域にそれぞれ、ガイド溝１１内に掛けられたワイヤーソーＷの外周の一部が嵌入可能な凹溝１２がガイド溝１１の長手方向に沿って設けられている。なお、図１においては、見やすくする目的で、ワイヤーソー用ローラー１０のガイド溝１１の本数を実際より省略しているため、隣り合うガイド溝１１の間隔は実際よりも広く表示されている。

図３に示すように、一つのガイド溝１１内において対向する二つの凹溝１２下方部分（円弧１２ａの中心１２ｃよりもガイド溝１１の底部１１ｂ寄りの部分）の横断面形状はそれぞれ円弧状をなし、二つの凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの中心１２ｃの位置は同一である。即ち、二つの凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａは同一の仮想円１２の一部を構成している。また、二つの凹溝１２の上方部分（円弧１２ａの中心１２ｃよりも円筒体１０ａの外周寄りの部分）には、互いに平行をなす平面部１１ｄが形成され、それぞれの平面部１１ｄの上方がガイド溝１１の内壁面１１ａに繋がっている。これらの平面部１１ｄは、ガイド溝１１の長手方向と平行（円筒体１０ａの横断面と平行）をなしている。

また、図３に示すように、一つのガイド溝１１を構成する二つの内壁面１１ａのなす角度をθ（度）とし、凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの曲率半径をＲ（ｍｍ）とし、円弧１２ａの中心１２ｃから二つの内壁面１１ａの仮想交線１１ｃまでの距離をＤ（ｍｍ）としたとき、
０ ＜ Ｄ ≦ Ｒ／ｓｉｎ（θ／２）−０．０２
となるように設定している。さらに、図３に示すように、凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの曲率半径Ｒが、ガイド溝１１に掛けられたワイヤーソーＷの半径ｒの１．０１〜１．４倍としている。また、図２，図３に示すように、ワイヤーソーＷが凹溝１２に掛けられた状態にあるとき、ワイヤーソーＷの下面側とガイド溝１１の底部１１ｂとの間には、常に空隙部１１ｄが形成される。従って、切断加工中、空隙部１１ｄに切削液が溜まり、冷却作用を生じるので、ワイヤーソーＷの寿命向上に有効である。

ワイヤーソーＷの半径ｒ、ガイド溝１１のピッチＰ（図２参照）及びガイド溝１１を形成する内壁面１１ａのなす角度θについては具体的に限定するものではないが、一般に、ワイヤーソーＷの半径ｒが８０μｍ〜２５０μｍである場合、ガイド溝１１のピッチＰは０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲が好適であり、ガイド溝１１を形成する内壁面１１ａのなす角度θは３０度〜９０度の範囲が好適である。

なお、ガイド溝１１に掛けられたワイヤーソーＷの一部がガイド溝１１から突出するほど、ワイヤーソーＷの半径ｒが大きい場合、切削作業中にワイヤーソーＷがガイド溝１１から外れ易くなるので、ガイド溝１１を形成する内壁面１１ａのなす角度θはワイヤーソーＷがガイド溝１１から突出しないように設定することが望ましい。一方、ガイド溝１１を形成する内壁面１１ａのなす角度θがワイヤーソーＷの半径ｒに比べて小さ過ぎると、ガイド溝１１の深さを大きくする必要があるため、ガイド溝１１の再整形が困難となり、円筒体１１ａの再利用回数が減少する。よって、ガイド溝１１を形成する内壁面１１ａのなす角度θは３０度〜９０度に設定されている。

前述したように、本実施形態のワイヤーソー用ローラー１０においては、ガイド溝１１を構成する二つの内壁面１１ａの、ガイド溝１１ａの底部１１ｂより高い領域に、ガイド溝１１内に掛けられたワイヤーソーＷの外周の一部が嵌入可能であって横断面形状の少なくとも一部が円弧状をなす凹溝１２を当該ガイド溝１１の長手方向に沿って設けている。

このため、ガイド溝１１にワイヤーソーＷが掛けられたとき、ワイヤーソーＷの外周の一部が凹溝１２の内壁面１２ｆに面接触した状態となり安定保持され、ワイヤーソーＷの振れが抑制され、使用開始時における被加工物のうねり発生を低減することができ、ワイヤーソーＷの飛びも抑制される。また、凹溝１２の内壁面１２ｆと接触するのはワイヤーソーＷの外周の一部であり、その接触面積は比較的狭く、摩擦や発熱が生じ難いので、ワイヤーソーＷの寿命低下を抑制することができ、ガイド溝１１や凹溝１２の摩耗も減少するので、耐久性にも優れている。

また、二つの凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの中心１２ｃの位置が同一であることにより、横断面形状が円形状をしたワイヤーソーＷの外周の一部が二つの凹溝１２内にそれぞれ嵌入され、据わりが良くなるので、被加工物のうねり発生が低減され、ワイヤーソーＷの飛び及び寿命低下を抑制する上で有効である。

さらに、ガイド溝１１を構成する二つの内壁面１１ａのなす角度θ（度）と、凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの曲率半径Ｒ（ｍｍ）と、円弧１２ａの中心１２ｃから二つの内壁面１１ａの仮想交線１１ｃまでの距離Ｄ（ｍｍ）と、が関係式 ０ ＜ Ｄ ≦ Ｒ／ｓｉｎ（θ／２）−０．０２ を満たすように設定されている。

これにより、ガイド溝１１に掛けられたワイヤーソーＷの外周と凹溝１２の内壁面１２ｆとの接触面積を適度に確保することができ、ワイヤーソーＷの据わりが良くなるので、被加工物のうねり発生を低減し、ワイヤーソーＷの飛びを抑制する上で有効である。

一方、凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの曲率半径ＲをワイヤーソーＷの半径ｒの１．０１〜１．４倍としたことにより、凹溝１２内におけるワイヤーソーＷの据わりが良好となるので、加工精度の向上に有効である。

ここで、図４，図５などに基づいて、本発明の実施例について説明する。外径が１２０μｍの芯線の外周に、粒径が１０〜２５μｍの砥粒を固定させることによって製作した、外径（２ｒ）が１５０μｍのワイヤーソーＷを使用し、ワーク（被切削物）であるシリコンインゴットの切断加工を行った。

本実施例において使用したワイヤーソー用ローラー１０の外径は１９８ｍｍ、その外周に形成されているガイド溝１１のピッチＰは０．３６ｍｍであり、１本のガイド溝１１を形成する一対の内壁面１１ａのなす角度θは４０度である。

このような条件下において、凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの曲率半径Ｒ（ｍｍ）をワイヤーソーＷの半径ｒ（ｍｍ）×１．０１倍に固定し、表１に示すように、円弧１２ａの中心１２ｃから二つの内壁面１１ａの仮想交線１１ｃまでの距離Ｄ（ｍｍ）を変化させ、距離Ｄと、スライス加工されたシリコンウェーハの表面に生じる「うねり（μｍ）」と、の関係を調べたところ、図４に示すような結果が得られた。

図４に示す結果を見ると、参考例６においては、シリコンウェーハの表面に１００μｍのうねりが測定されたが、実施例１〜５においては、うねりが２０μｍ以下となっていることが分かる。これらの結果は、距離Ｄが、０ ≦ Ｄ ≦ Ｒ／ｓｉｎ（θ／２）−０．０２の範囲内にあるとき、うねりが減少することを示している。

次に、凹溝１２の横断面形状を形成する円弧１２ａの中心１２ｃから二つの内壁面１１ａの仮想交線１１ｃまでの距離Ｄ（ｍｍ）を０．２ｍｍに固定し、表２に示すように、凹溝１２の円弧１２ａの曲率半径Ｒ（ｍｍ）を変化させ、スライス加工されたシリコンウェーハの表面に生じる「うねり（μｍ）」と、の関係を調べたところ、図５に示すような結果が得られた。

図５に示す結果を見ると、参考例７におけるワイヤーソーの磨耗量は、実施例８〜１３におけるワイヤーソーの摩耗量よりも５倍程度大きいことが分かり、参考例７はワイヤーソーの寿命を短くしていることが判明した。また、実施例１２，１３においては、スライス加工されたシリコンウェーハの表面のうねりの増加が測定され、曲率半径Ｒを実施例１１の条件（０．２２５ｍｍ）以下にしたとき、シリコンウェーハの表面のうねりが減少することが判明した。従って、ワイヤーソーの寿命を保ち、シリコンウェーハの表面のうねりを減少させることができる曲率半径Ｒの範囲は、ワイヤーソーの半径ｒの１．０１〜１．４倍であることが分かる。

なお、前述した実施形態及び実施例は本発明を例示するものであり、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されない。

本発明のワイヤーソー用ローラーは、太陽電池、半導体シリコン、磁性体、サファイアあるいはＳｉＣなどの結晶系材料のスライス加工を行う産業分野において広く利用することができる。

１０ ワイヤーソー用ローラー
１０ａ 円筒体
１１ ガイド溝
１１ａ，１２ｆ 内壁面
１１ｂ 底部
１１ｃ 仮想交線
１１ｄ 空隙部
１２ 凹溝
１２ａ 円弧
１２ｂ 仮想円
１２ｃ 中心
１２ｄ 平面部
θ ガイド溝を構成する二つの内壁面のなす角度
ｒ ワイヤーソーの半径
Ｄ 円弧の中心から二つの内壁面の仮想交線までの距離
Ｑ 内壁面のなす角度
Ｒ 円弧の曲率半径
Ｗ ワイヤーソー

Claims (2)

1. ワイヤーソーをガイドする横断面形状がＶ字状をなす複数のガイド溝が周方向に沿って環状に形成されたワイヤーソー用ローラーにおいて、前記ガイド溝を構成する二つの内壁面の当該ガイド溝の底部より高い領域に、前記ガイド溝内に掛けられたワイヤーソーの外周の一部が嵌入可能であって横断面形状の少なくとも一部が円弧状をなす凹溝を当該ガイド溝の長手方向に沿って設けたことを特徴とするワイヤーソー用ローラー。
2. 二つの前記凹溝の横断面形状を形成する円弧の中心の位置が同一である請求項１記載のワイヤーソー用ローラー。

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