JP5475772B2 - ワイヤスライシングシステム - Google Patents

Description

本出願は、２００８年７月１１日に出願の、本明細書において参照によりその全体が援用される米国仮特許出願第６１／０７９，９２８号明細書に基づく米国特許法１１９条（ｅ）による優先権を主張する。

硬質で脆弱な結晶およびセラミックのブロックまたはインゴットから切断される高品質の超薄ウエハに対する要求が、切断機器および研磨材製造業者に課題をもたらし続けている。伝統的に、これらのウエハは、遊離ダイアモンド研磨材を用いる環状（円形）のソーイングまたはマルチワイヤスライシング（ＭＷＳ）を用いて製造されている。

結晶ブロックから薄ウエハを切断する従来の方法には数々の不利益が付随している。「ＩＤソーイング」とも呼ばれる環状ソーイングでは、ウエハはワークピースから個々に切断される。ＩＤ−ソーで切られたウエハの品質は良好であるが、この１回で１枚のアプローチでは、機械加工時間が長く、および、生産速度が遅くなってしまう。しかも、ＩＤソーで扱うことが可能であるワークピースのサイズは限定されることが多い。

これらのおよび他の理由のために、素ワイヤと研磨材スラリーＭＷＳとが、電子産業についての薄ウエハの製造方法においてより一般的に用いられている。ＭＷＳは１４０〜２００ミクロン程度の直径の小さな切断幅を可能とするが、この方法はまた課題を呈する。例えば、遊離研磨材は急速に劣化して材料の除去速度を低下させ、従って、研磨材スラリーは、砥粒の鋭利さおよび濃度の一致性を保証するために、プロセスを通じて注意して取り扱われなければならない。長くまたは深い切れ目（４００ｍｍまたは１６インチにわたる）への一貫した遊離研磨材スラリーの供給も追加の問題を呈している。また、スラリーは、度々、廃棄物として処理されるため、廃棄または再利用が全体的な製造費用を上増しさせる。最後に、この方法は、一般に、特に、遊離研磨材がより硬質のワークピースより先に比較的軟質の鋼線を磨耗させる傾向にある硬質の材料のスライシングの最中では、材料除去速度は遅くなる。

ウエハは、ますます、シングルワイヤまたはマルチワイヤマシン設定で研磨材固定ワイヤ技術を用いて製造されるようになっている。研磨材がコートされたワイヤは従来のアプローチを超える多くの利点をもたらすが、研磨材固定ワイヤ技術の有益性を活用して、切断の品質を向上させると共に広い範囲の幾何学的切断形状をもたらすスライシング装置および操作に対する要求が存在し続けている。高い多用性、低いワイヤ破断性、向上したワークピース取り扱い能力、高速性、高プロセス制御等をもたらすことが可能であるスライシング用機器またはその部品に対する要求もまた存在し続けている。

多くの実施形態において、本発明は、ワイヤソーイングを採用するスライシング操作に関する。好ましい実装において、スライシング操作は、例えばダイアモンドといった、研磨材固定ワイヤを用いて実施される。本明細書に記載の機構および技術は、個別にまたは任意の組み合わせで用いることが可能である。本発明のいくつかの実施形態において、例えば、これらの機構および／または技術の１つ以上がワイヤスライシングシステムまたは機器に組み込まれている。本明細書に記載の機構および技術の少なくともいくつかはまた、ワイヤスライシングシステムまたは機器の実装以外の器具と併せて用いられることも可能である。

本発明の数々の態様は、低屈曲性および低ねじり応力スプール巻およびワイヤ取扱いに関する。一実施形態においては、研磨材固定ワイヤスライシング操作用のワイヤ取扱いアセンブリは、ワイヤスプール、ワイヤガイドおよびワイヤテンショナの１つ以上を備え、ここで、前記ワイヤスプール、ワイヤガイドおよびワイヤテンショナによって定義されるワイヤ経路は実質的に平面的である。他の実施形態において、研磨材固定ワイヤスライシング操作用のワイヤ取扱いアセンブリは１つ以上の接触部材を備え、接触部材の少なくとも１つは１００ミリメートル（ｍｍ）を超えるワイヤ接触径を有する。さらなる実施形態において、研磨材固定ワイヤスライシングシステムは実質的に平面的であるワイヤ経路を備える。さらに他の実施形態において、研磨材固定ワイヤスライシングシステムは大径ワイヤ経路を備える。

本発明の他の態様は、２連ドラム式一層巻き取り型および他の２連ドラム式装置などの２連式装置に関する。一実施形態においては、研磨材固定ワイヤシステムは、第１のローラおよび第２のローラを有する２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリを備える。これらの複数のローラは、互いに作動可能に連結されており、一方のローラがモータに接続されている。他の実施形態において、ワイヤ固定研磨材システムは、両方のドラム上でのワイヤピッチを制御するための二連ドラム式アセンブリを備える。アセンブリは第１のローラおよび第２のローラを有し、これらのローラは互いに作動可能に連結されており；第１のローラおよび第２のローラの少なくとも一方がモータに接続されている。さらなる実施形態はドラムスプール巻装置を備え、ここで、二連ドラム式システムの各ドラムはサーボモータにリンクされている。さらに他の実施形態において、研磨材固定ワイヤスライシング操作における切断ゾーンにワイヤを供給する方法は、研磨材固定ワイヤを２つのドラムの間で前後に動かす工程を含み、ここで、ピッチは、両方のドラムにおいて制御されている。さらなる実施形態において、研磨材固定ワイヤスライシング操作において切断ゾーンにワイヤを提供する方法は第１のローラを回転させる工程を含み、ここで、第１のローラは第２のローラに互いに作動可能に連結されており、ワイヤが前記複数のローラに巻かれる。

本発明のさらに他の態様は定力ワイヤ弧形センサに関する。一実施形態においては、ワイヤスライシング操作の最中にワイヤ弧形角度を監視または制御する方法は、ワイヤとワークピースとの間の接触によって生じる弧形角度に対する設定値を選択する工程；およびワイヤスライシング操作の最中の実際の弧形角度を検知して、実際の弧形角度が前記設定値に達しているかを判定する工程を含む。他の実施形態において、ワークピースに接触しているスライシングワイヤの弧形角度を監視または制御するシステムは、スライシングゾーンでのワイヤの弧形角度に追従するデバイスの動きを検出する検出器を備える。

本発明のさらなる態様は、薄い形状および／または複雑な幾何学的形状プロファイリングの曲線状のスライシングに関する。一実施形態においては、ワークピースに曲線状の切れ目を形成するプロセスは、ワイヤがワークピースに供給されるに伴って第１の軸を補間しながら、ワイヤスライシング操作の最中に第１の軸および第２の軸を制御する工程を含む。他の実施形態において、研磨材固定ワイヤスライシングシステムは、第１の軸および第２の軸およびテーブルのそれぞれを、スライシング操作の最中にワークピースを回転させるために制御するためのリニアステージを備える。

本発明のさらに他の態様は、ワイヤスライシングワークピース揺動および回転システムに関する。一実施形態においては、ワークピースを切断するためのプロセスは、ワークピースが研磨材固定ワイヤに供給される間、ワークピースを揺動させる工程を含む。他の実施形態において、研磨材固定ワイヤスライシングシステム用のアセンブリは、第１のリニアステージと第２のリニアステージに設けられた回転ステージとを備えており、ここで、第１のリニアステージは第２のリニアステージとは異なっている。

本発明の好ましい態様は：ａ）研磨材固定ワイヤを切断ゾーンに送るための実質的に平面的なワイヤ経路；ｂ）１００ｍｍを超えるワイヤ接触径を有する接触部材；ｃ）機械的にリンクされた複数のローラを備える２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリであって、前記複数のローラの１つがモータに接続されているアセンブリ；ｄ）ワークピースに接触しているスライシングワイヤでの弧形角度を監視するシステムであって、スライシングゾーンでのワイヤの弧形化に追従するデバイスの動きを検出するための検出器を備える弧形角度を監視するためのシステム；ならびに、ｅ）第１のリニアステージと第２のリニアステージ上に設けられた回転ステージとを備えるアセンブリであって、第２のリニアステージが第１のリニアステージとは異なるアセンブリの１つ以上を備える研磨材固定ワイヤスライシングシステムに関する。

本明細書に記載のスライシングシステム、サブシステムおよび操作は、ウエハ成形またはクロッピング操作に特に良好に適しており、セラミック、特に硬質で脆弱なセラミック、金属、有機物および他のワークピースの切断に採用されることが可能である。既存のスライシング用機器と比較すると、本発明の特定の実装は、速い切断速度および向上した品質の切断をもたらすことが可能である。例えば、本発明の好ましい実施形態によるダイアモンド研磨材固定ワイヤスライシング用機器は、１５ｍ／ｓのワイヤ速度に達することが可能であると共に、５０Ｎ以下の張力範囲を有することが可能である。

有利なことに、本発明の実装はワークピースの固有の取扱いをもたらし、これは、スライシングプロセスにおける多用性を可能とする。インゴットは、スライシングの最中に、回転または揺動されて、上下前後に動かされることが可能である。本発明の態様を実施することにより、ウエハは、曲線状の切れ目に沿ってまたは複雑な幾何学形状にスライスされることが可能である。ワイヤの接触長の切断プロセスを通した均等化、グリット当たりの力の最大化、および、ワイヤのワークピースに対する相対的な接触速度増加が、本発明のいくつかの実装に関連する他の有益性である。

ワイヤ取扱い、ならびに、ドラム装置、ワイヤガイドおよびテンショナに関連する特性に対応する本発明の実施形態は、ワイヤ−ワイヤ磨耗によって生じるワイヤ損傷を低減するか最低限とすることが可能であり、および／または、ワイヤの破断および製造の中断を防止するか最低限とすることが可能である。スライシングにおける利点もまた定力ワイヤ弧形センサシステムの利用を介して達成される。本発明の実装はまたコヒーレントジェット冷却技術の利益を享受することが可能であると共に、本発明の２つ以上の実施形態の同時実装は既存の基盤を超える顕著な利点をもたらす。

添付の図面において、符号は、異なる図を通して同一の部分を指している。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく；本発明の原理を図示することに重点が置かれている。

図１Ａは、本発明の一実施形態により構成されたワイヤガイドおよびワイ ヤテンショナ用の固定平面装置の図である。 図１Ｂは、本発明の一実施形態により構成されたワイヤガイドおよびワイ ヤテンショナ用の固定平面装置の図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態による大接触径ワイヤガイドを示す図であ る。 図２Ｂは、本発明の一実施形態による大接触径ワイヤガイドを示す図であ る。 図３は、本発明の一実装による大径ワイヤガイドの図である。 図４は、本発明の一実施形態による大接触径スプール巻デバイスの図である 。 図５は、本発明の一実施形態による２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリ の図である。 図６Ａは、本発明の一実施形態による２連ドラム式一層巻き取り型アセン ブリおけるタイミングベルトおよびローラ固定手段の拡大図である。 図６Ｂは、本発明の一実施形態による２連ドラム式一層巻き取り型アセン ブリにおけるタイミングベルトおよびローラ固定手段の拡大図である。 図６Ｃは、本発明の一実施形態による２連ドラム式一層巻き取り型アセン ブリにおけるタイミングベルトおよびローラ固定手段の拡大図である。 図７は、本発明の一実施形態による２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリ の図である。 図８は、図７に示されている２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリの一部 分の図である。 図９Ａは、リニアステージに設けられた本発明の一実施形態による２連ド ラム式一層巻き取り型アセンブリの図である。 図９Ｂは、本発明の一実施形態による２連ドラム式一層巻き取り型アセン ブリの装置およびワークピースについての種々のリニアステージおよび軸の図である。 図１０は、本発明の一実施形態によるワイヤ定力センサシステムに採用さ れることが可能であるボールベアリングローラの図である。 図１１は、本発明の一実施形態によるワイヤ定力センサシステムに採用さ れることが可能であるボールベアリングローラの図である。 図１２は、図１０および図１１に示されているものなどのボールベアリン グローラを備える定力センサシステムの実施形態の分解組立図である。 図１３は、本発明のワイヤスライシング用機器における３軸位置合わせシ ステムの図である。 図１４は、本発明の一実施形態による曲線状スライシングを示す図である 。 図１５は、本発明の一実施形態による複雑な幾何学的形状プロファイリン グを示す図である。 図１６は、本発明の一実施形態によるインゴットの動きの全体および供給 アセンブリの三次元イメージである。 図１７は、本発明の一実施形態において採用されることが可能である、突 出しているワーク保持ツールを備える回転テーブルの図である。 図１８は、図１７に示されている回転テーブルなどの回転ステージ上で揺 動されることが可能である、装填されているワークピースの図である。 図１９は、（１）直線的な送り込み切断；（２）回転および送り込み切断 ；ならびに、（３）揺動および送り込み切断の図示である。 図２０は、３Ｄ仮想空間において組み立てられた本発明の実施形態による 数々の構成部品の三次元イメージである。 図２１は、本発明の実施形態の研磨ワイヤスライシングシステムの図であ る。 図２２は、本発明の実施形態の研磨ワイヤスライシングシステムの図であ る。

ここで、構造および部品の組み合わせの種々の詳細、ならびに、他の利点を含む本発明の上記および他の特性を、添付の図面を参照してより具体的に説明することとし、ならびに、特許請求の範囲において指摘した。本発明を具体化する特定の方法およびデバイスは例示によって示されており、本発明の限定としては示されていないことが理解されるであろう。本発明の原理および特性は、種々のおよび数多くの実施形態において、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて採用され得る。

本発明は、一般に、ワイヤスライシング操作としても言及されるワイヤソーイングの最中に採用されることが可能である器具およびプロセスに関する。

ワイヤスライシングは、一般に、ワークピースを切断または造形するために行われ、ワークピースに少なくとも１本のワイヤを接触させる工程を含む。多くの実装において、ワイヤは、ステンレス鋼、他の好適な金属等などの材料から形成されたコアに砥粒またはグリットが接着されている研磨材固定ワイヤである。多くの実装において、砥粒は、例えば、天然もしくは合成ダイアモンドまたは立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）を含む超研磨材である。接着は、ろう着、電気めっきまたは研磨材材料をコアに固定するために採用される他の好適なプロセスを介して実現されることが可能である。本発明の実施形態の多くにおいて、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ａｂｒａｓｉｖｅｓ製のＷｉｎｔｅｒダイアモンドワイヤが特に好ましい。典型的には、これらのダイアモンドワイヤは、１５０μｍコアへの約１８０ミクロン（μｍ）〜３００μｍコアへの約４３０μｍの範囲内の直径で入手可能である。他の研磨材で被覆されたワイヤを利用可能であり、他の好適な直径も同様である。本発明の態様はまた、他のタイプのワイヤと共に、裸線を、例えば研磨材スラリーと併せて利用することが可能である。

多くの事例において、ワイヤは、スプールまたはリールに巻かれている。多くの種類のワイヤスプールが市販されており、ワイヤはまたカスタマイズされた装置において提供されることも可能である。

特定の実施形態において、本発明は、本明細書においてはワイヤスライシングまたはワイヤソーイング機器としても称される、ワイヤスライシングまたはワイヤソーイングシステムに関する。ワイヤスライシング用機器は、不定期のワークピースの切断などの単純な操作から、工業規模の製造プロセスまたは複雑な機械加工にわたる要求に対応するよう設計されることが可能である。ここで特に興味深いのは、マイクロ電子機器、光電式光起電技術および他の工業用のウエハを製造するために採用されるものなどの、硬質で脆弱な結晶およびセラミックを加工するために好適なスライシングシステムである。加工されることが可能である特定の材料の例としては、例えば、ザクロ石（（ＳｉＯ_４）_３）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、イットリウム金属ガーネット（ＹＡＧ）、窒化ガリウム（ＧａＮｉ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮｉ）、ひ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ひ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮｉ）、ゲルマニウム等が挙げられる。

本明細書において開示されているワイヤスライシングシステムは、球状、例えば正方形状、変則的形状または他の形状といった多角形状を有するワークピース、ならびに、円形または四角形の断面を有するインゴットであるワークピースを加工するために利用されることが可能である。このシステムは、例えばインゴットといったワークピースが１本のワイヤによってスライスされる、シングルワイヤおよびマルチワイヤ操作の両方について適応されていることが可能である。

このシステムはまた、ワークピースがワイヤウェブによって切られて、１回のステップで、好ましくは同時に、例えばウエハといった複数のスライス片がもたらされるマルチワイヤ装置において採用されることが可能である。本明細書において用いられるところ、「マルチ」および「複数の」という語は２つ以上の要素を指す。インゴットをスライシングするウエハの製造はまた、「ウエハ成形（ｗａｆｅｒｉｎｇ）」としても知られている。多くのタイプのマルチワイヤソーの操作の最中においては、新たな単一のワイヤが供給スプールから一定のピッチで溝が切られたガイドローラに延びており、２つ以上（例えば４つ）のこのようなローラを用いる装置を採用してワイヤウェブを形成することが可能である。送出スプールまたは巻取りスプールが使用済みのワイヤを回収する。ワイヤは、２つのローラ間で前後方向にスプールに巻かれる。

種々の実装において、本明細書に開示のワイヤスライシングシステムは、以下の１つ以上を解決している：例えばダイアモンドワイヤといったスライシングツールの切断サイトまたはゾーンへの出し入れに関する装置および／または操作；ワイヤの張設に関する機械および方法；ワークピースを処理するための器具および技術；冷却および切屑（細片）除去用に設計された装置および／または操作；実装可能である制御および／または自動化等。これらが順次検討されている。

本発明の数々の実施形態は、好ましくは研磨材固定ワイヤといったワイヤの取扱いのために採用されるアセンブリおよび技術に関する。

既存の研磨材固定ワイヤ機器は、典型的には三次元的な経路を通してワイヤを動かす複雑なスプール、ガイドおよびテンショナを用い、度々、製造を中断させる可能性があると共にワイヤの使用寿命を破断により短くする可能性があるワイヤの屈曲およびねじり応力をもたらす。

既存の設計に関連するこれらのねじり応力および他の問題は、本明細書に記載の平面的装置ならびに／または小屈曲半径ワイヤガイドおよびスプールによって解決される。

一実施形態においては、この装置は、平面的であるかまたは実質的に平面的な動的なワイヤ経路を提供する。本明細書において用いられるところ、「ワイヤ経路（ｗｉｒｅ ｐａｔｈ）」または「ワイヤ経路（ｗｉｒｅ ｐａｔｈｗａｙ）」という用語は、２つのスプール巻ドラムと切断ゾーンとの間のワイヤが移動する循環路を指す。典型的には、ワイヤが移動するこの経路は、ワイヤをその経路に沿って導くために用いられるワイヤスプール、ワイヤガイドまたはワイヤテンショナ等などのデバイスであるワイヤ接触部材を備えている。図１Ａおよび図１Ｂには、例えば、インゴット１４のスライシング用の研磨ワイヤ長１２を提供するために用いられるアセンブリ１０が示されている。新たなワイヤをスライシングゾーンに供給するため、および、使用済みのワイヤを除去するために、アセンブリ１０はデバイス１６、１８、２０および２２を備え、ここで、デバイス１６および２２はワイヤ張力プーリまたはワイヤテンショナとして機能すると共に、デバイス１８、１９および２０はワイヤガイドとして機能する。ワイヤは、例えば、以下にさらに記載されている、ローラ２６および２８を備えている２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリ２４といったスプール巻デバイスから供給される。従来のスプール巻デバイスもまた採用されることが可能である。図１Ａおよび図１Ｂに図示されているとおり、ローラ２６、ワイヤガイド１８、１９および２０、ワイヤテンショナ１６および２２およびローラ２８上をワイヤが移動するワイヤ経路は平面的または実質的に平面的である。本明細書に記載のワイヤおよびスプール巻構成部品の配置は、ねじり応力および屈曲応力を低減させるか最低限とする。

他の実施形態において、可能性のあるねじり応力は、比較的大接触径を有する、例えばワイヤガイド、スプール巻、ワイヤテンショナ等といったワイヤ接触部材を１つ、好ましくはそれ以上設けることにより解決される。ワイヤ接触部材は、例えば、約１００ｍｍ超、好ましくは約２００ｍｍ超およびより好ましくは約３００ｍｍ超といった少なくとも１００ミリメートル（ｍｍ）の接触径を有することが可能である。約１００ｍｍ未満の直径を有するワイヤ接触部材を備えていないワイヤ経路が、本明細書においては、「大径」経路と称されている。

特定の例において、ワイヤガイドまたはワイヤテンショナは約１００（ｍｍ）〜約４００ｍｍの範囲内の接触径を有し；ワイヤスプール巻デバイスは約１５０ｍｍ〜約４００ｍｍの範囲内の接触径を有する。例えば、研磨材固定ワイヤスライシング用機器において採用されているワイヤガイド、テンショナおよびワイヤスプールドラムは、それぞれ、１２５〜１５０ミリメートル（ｍｍ）であることが可能である。

対照的に、既存の研磨材固定ワイヤスライシング用機器において典型的に用いられるワイヤガイドおよびワイヤスプールドラムは、それぞれ、５０ｍｍおよび５０ｍｍの接触径を有する。

大接触径ワイヤガイドおよびワイヤガイドに沿って移動するワイヤの図が図２Ａおよび図２Ｂに示されている。図３は、ロッド３６上にフランジ３４と共に設けられたワイヤガイド３２を備えるワイヤガイドデバイス３０の図である。ワイヤガイドデバイス３０には、例えば機器の壁といった支持体にこのデバイスを固定するための手段３８が設けられていることが可能である。図４は、２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリ２４の図である。

好ましい装置において、図１Ａおよび図１Ｂに示されているものなどの平面的ワイヤ経路アセンブリは、例えば、図２Ａ、図２Ｂ、図３および／または図４に示されているものなどの比較的大きく接する直径のワイヤガイドおよびワイヤスプール巻デバイスを採用している。

従来の装置の多く、ならびに、上記の固定平面装置などの装置におけるワイヤの取扱いは、典型的には、ワイヤスプール巻が含まれる。しかしながら、ワイヤ−ワイヤ磨耗が既存の研磨材固定ワイヤスライシング用機器において用いられるスプール巻デバイスにおける一般的な問題であり、継続的に損傷をもたらして、潜在的に研磨ワイヤの使用寿命を短縮している。

ワイヤ−ワイヤ磨耗および他の問題を解決するために、２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリは、一緒にリンクされた２つ以上のローラを備えている。好ましい実装においては、２つのローラは、確実に両方のローラを固定された回転で一緒に回転させるタイミングベルトによって、機械的に相互にリンクされている。例示的な単一層一軸式スプール巻アセンブリの図が図５に示されているが、タイミングベルトおよびローラをフレームに固定する手段の詳細な図は図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示されている。

図７および図８には、タイミングベルト４０によって一緒にリンクされているドラム２６および２８を備えた２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリ２４が示されている。ドム２４および２６は、アルミニウムまたは他の好適な材料から構成されていることが可能であると共に、中空コアを有していることが好ましい。牽引力高めると共に、表面上での研磨材の磨耗を低減するか最低限とするために、ドラムの一方または両方は、ウレタンで、または、他の好適な層もしくはフィルムで被覆されていることが可能である。ワイヤは、単純なクローブヒッチ結びおよび数巻分のワイヤの摩擦によって、または、他の好適な技術によってスプール巻ドラムに固定されていることが可能である。

ドラム２４および２６は、それぞれ、例えばピローブロックボールベアリング４８および５０などの手段によってブラケット４６に固定されていることが好ましいシャフト４２および４４に装着されている。

特定の例において、シャフト４２および４４にはタイミングベルト用のタイミングスプロケットが設けられており、例えばシャフト４４といったシャフトの一本が、シャフト４４に設けられているサーボモータ５２に、サーボたわみ継手または他の好適な手段を介して接続されている。

特定の実装において、例えば図９Ａに示されている２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリ２４は、矢印によって示されているとおりドラム２６および２８を前後に動かす、例えば高精度リニアステージといったリニアステージ６０に設けられている。次いで、リニアステージ６０は、例えば、図１Ａおよび図１Ｂに見られるとおりワイヤガイド上のワイヤスライシング用機器のベースに設けられていることが好ましい。軸、および、例えばワークピース１８０といったワークピースとの関係が、図９Ｂにより詳細に示されている。

好ましくは、リニアステージはまた、スプール巻ドラム駆動サーボに電子的に伝達されているサーボモータで駆動される。電子的伝達率は、異なるワイヤ太さに対応してソフトウェアで変化されることが可能である。

操作の最中には、１つのローラがモータによって駆動され、他のローラがタイミングベルトによって同一の方向および速度で動くに伴って、２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリがワイヤを単一層のスプールに巻き取る。これは、アセンブリがドラムの一回転当たりワイヤ１本の幅だけ移動するような方法で、ワイヤが巻き取られる間ドラムを動かすことにより行われる。好ましい実装においては、ドラムは、単一の層のワイヤで全長が埋まるよう一回だけ動かされる。他の実施形態において、スプールは、２層以上の層のワイヤがその全長に巻き取られる。この巻き取りは、ラインが巻き取られるにつれて浮き沈みしてリール上に均一なラインの層を形成させる魚釣り用リールといくらか同様であると考えることが可能である。さらなる実施形態は、両方のドラムにおいてピッチが制御されるドラム装置を備える。

さらに他の実施形態はデュアルサーボモータ装置を採用し、モータの各々は、スプール巻ドラムに独立してリンクされている。ワイヤの駆動に追加して、この装置は、従動するドラムへの張力を維持し、それ故、空気圧式システムを超える向上した張力制御を提供することが可能である。

例えばワイヤフィールドへの上方向にインゴットなどのワークピースが供給されるスライシング操作の最中、ワークピースはワイヤを押圧し、ワイヤの十分な張力無しで、ワイヤを上方に動かす。この動きを相殺するために、ワイヤは、同等の反対の力をワークピースに加え、結果的にスライシングする。

例えば、コンピュータ制御されたリニアステージを例えば含む電気機械的システムによってインゴットまたは他のワークピースが上方向に供給されるに伴って、フィードバックシステムがワークピースを適切な速度で供給させることが可能である。そうでなければ、インゴットが過度に速く供給された場合、切断速度は、供給速度未満となり可能性があり、ワイヤが破断する可能性が高く、ワイヤの有用性が限定されると共に、製造プロセスに中断が生じてしまう。

以下に記載の実施形態は、これらの潜在的なワイヤの破断および他の問題を、定力状態を達成するためにワイヤの弧形角度を制限し、これにより、スライシング操作を制御することにより解決し、それ故、上述のワイヤの破断を低減させるか排除する。

一実装においては、定力ワイヤ弧形センサが、好ましくは比較的小さいサイズのボールベアリングローラであることが可能であるワイヤ追従デバイスの周りに設計されている。特定の例においては、ローラは切れ目の上に位置されており、従って、ワイヤまたはワイヤフィールドがワークピースで押し上げられた場合に、ローラが結果的に同一の方向に動いて追従する。

数々のセンシングおよび／または検出技術を利用してボールベアリングローラの動きを監視することが可能である。好ましい実装において、このローラは、支点の周囲を回転するピボットアームに固定されていることが可能である。このアーム反対側の端部は延在してピボットアームと共に上下に動く小さな機械的な遮蔽板で終端とされている。この遮蔽板は、光電子式光ゲートセンサのビームを遮蔽するために用いることが可能である。特定の例においては、センサの位置は、光ビーム遮蔽点を変更することが可能であって、ワイヤでの異なる定力設定をも示している、ワイヤの異なる最大弧形角度の設定を可能としてセンサが起動されるよう制御される。このアプローチは、ワイヤへの最大力を示すために用いることも可能である。さらなる実装において、センサは、システムのプログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）を介してフィードバックループにリンクされていると共に、切断速度がワークピースの供給速度未満になるであろうワークピースの供給を停止させる。好ましい実装においては、これは、最大角度センサが遮断されない点までしかワークピースが供給されない平衡点を結果としてもたらす。

上述のものなどのワイヤ定力センサシステムを示す図が図１０および図１１に示されており、ならびに、分解組立図が図１２に提供されている。このシステムは、ワイヤ８２の上に直接的に座している上記の小型ボールベアリングローラなどのローラ８０を備えており、これは、例えば図１０に示されている図に見ることが可能である。図１２に示されているとおり、ピボットアーム８４の支点８６は、例えば、六角ナット９０および好適な座金、スペーサ、ならびに、技術分野において公知である他の架装デバイスを用いて支持体８８に取り付けることが可能である。支持体８８はまた、部品９６および９８を設けることが可能である、ピボットアーム８６の突起９４を検知するためのセンサ９２を収納している。センサ９２の位置は、プレート１０２上に配設されている例えばねじが切られたつまみねじといったノブ１００を介して調節されることが可能である。次いで、プレート１０２は、螺子または他の好適な手段によって支持体８８に設けられていることが可能である。

本明細書に記載の定力センシング技術はまた、ワークピースが下方向に移動される装置において用いられることも可能である。下方供給スライシングについては、定力センサは、ワイヤの下で移動するワイヤ弧形用追従ローラに対応して、反対の弧形に適応するよう変更される。

上記のものなどの例えばダイアモンド固定ワイヤと共に実施されるワイヤソーイングは、典型的なウエハ加工において得られる平らなスライス片以外の形状を製造するために利用されることが可能である。いくつかの態様において、本発明は、薄い形状および／または複雑な幾何学的形状プロファイリングの曲線状スライシングに関する。

一実装においては、スライシング操作は、曲線状スライシングプロファイルをもたらすため、および、湾曲ウエハを形成するためにワイヤソーでの多軸動作を利用する。他の実装において、ワークピースは、上記の曲線状スライシングの最中に回転されて、例えばドームなどの複雑な形状が、ワイヤがワークピースにおける材料を研削するに伴って達成される。

例えばダイアモンド研磨材固定ワイヤスライシング器具を用いる複雑な曲線状スライシングプロセスにおいては、ワイヤソーでの多軸動作が、切断プロセスの最中にＸ軸およびＺ軸を制御することにより湾曲ウエハを形成することが可能である。ワイヤがワークピースを通って供給されるに伴って、Ｘ軸を同時に補間して構成部品において曲率を形成することが可能である。ワークピースがこの曲線状動作の最中に回転もされた場合には、複雑な形状を達成することが可能である。

ワイヤスライシングアセンブリでのＸ軸およびＺ軸の位置合わせおよびワークピースの回転は、例えば、図１３に示されている。ワークピースは、例えば、ホットワックスまたは好適な接着材料などの好適な媒体を用いてバー１２０に設けることが可能である。バー１２０は、回転テーブル１２２に設けられているか、その一部である。図１３に示されているとおり、回転テーブル１２２は、それぞれメカニズム１３０および１３２を介してｘ方向およびｚ方向に移動可能である。リニアステージまたは他の装置を、Ｘ軸および／またはＺ軸および／または回転軸に沿った移動をもたらすために採用することが可能である。

図１４には、スライシング中の補間されたＸ軸およびＺ軸制御によってワークピースのスライシングの最中に沿うことが可能である切断経路が示されている。この切断経路は、機器の補間能力によって許容される任意の曲線状形状を有することが可能である。

図１４にはまた、本明細書に記載の補間技術を用いて製造することが可能である例示的な湾曲ウェハも示されている。

ワークピースをも回転させることにより、図１５に示されている例示的なドーム形状に関して図示されているとおり複雑な形状を形成することが可能である。例示的な回転速度は、１分間に約１回転（ＲＰＭ）〜約２００ＲＰＭの範囲内であることが可能である。

本明細書に記載の薄い形状および複雑な幾何学的形状プロファイリングの曲線状スライシングは研磨ワイヤソーイング操作において特に魅力的であるが、これらの技術はまた、レーダドームまたは視覚システムなどの軍事用途において用いられることも可能である。曲線状の透過ガラスは、過酷な環境への湾曲した視界窓などの多大な用途を有する可能性がある。湾曲したサファイアウエハは、優雅な耐傷性クリスタルを伴う高級腕時計用途に用いることが可能である。

従来のワイヤソーイング機器においては、揺動は、ワイヤガイドアセンブリを揺動させることにより形成されている。対象的に、本発明のさらなる実施形態は、例えばインゴットといったワークピースをワイヤスライシング操作の最中に揺動および回転させる工程に関する。従来、採用されるアセンブリは、上述の曲線状スライシングおよび複雑な幾何学的形状プロファイリングにおいて採用されるものと同一であるか同様である可能性がある。好ましい実装においては、アセンブリは、電気機械的回転ステージを採用する。

図１６には、インゴットの動きの全体、ならびに、２つのリニアステージ１６２および１６４と、垂直ステージ１６２に設けられている例えば回転テーブル１２２といった回転ステージとを含む供給アセンブリ１６０の三次元イメージが示されている。電気機械的回転ステージの使用は、例えばバー１２０といったワークピース固定バーの揺動および回転を可能とする。完全な回転のためには、バー１２０を、ワークピースをカンチレバー装置に保持することが可能である中心タイプ固定具などの他のツールによって置き換えることが可能である。

例えばホットワックス、接着剤または他の好適な媒体を用いてワークピースを固定するために用いることが可能な、突出しているバー１２０を有する回転テーブル１２２のイメージが図１７に示されている。操作の最中には、突出しているツールバー全体がワイヤに供給され、本明細書に記載の実施形態は、ワークピースが供給されるに伴ってワークピースを揺動または３６０度回転させて、切断接触長を短くし、これにより、グリット当たりの力が高められる。

例えば上記の回転テーブル１２０といった回転ステージ上で揺動される、例えばインゴット１８０といった装填されたワークピースが図１８に示されている。

特定の実装において、回転ステージはステップモータによって駆動されると共に、選択されるステップモータコントローラは、加速および回転速度を含む複雑な回転経路プログラミングの柔軟性を許容することが好ましい。スライシングの最中に存在する力に対応する十分なトルクを備えたステップモータが好ましい。

（１）直線的な送り込み切断、（２）回転および送り込み切断、ならびに、（３）揺動および送り込み切断を比較する図が図１９に示されている。（３）（揺動および送り込み切断）に関して、可変角度揺動は、プログラムを構築して、３００度回転から回転軸を揺動させ、インゴットがこの部分を通過するに伴って角度を小さくし、最後に０度にして切断を終了させることによって達成できる。

本明細書に記載のアプローチは、１００回転／分（ＲＰＭ）以下の速度のために、および／または、同一の回転速度での完全な３６０度回転のために、任意の揺動角度を許容する。

ここに記載した工程能力の利点は、切断プロセスを通じたワイヤの接触長の均等化、および、グリット当たりの力の最大化を含む。揺動プロセスは、丸太を手で鋸引きするのと同様であると考えることが可能であり、鋸を前後に揺動させることで切断は加速される。ワークピースの回転もまた、回転が十分に高まるとワイヤのワークピースに対する相対的な接触速度を増加させ、ならびに、グリット当たりの力を増加させることが可能である。

さらなる実施形態において、本発明は、上述の機構および／または技術を１つ以上備える研磨ワイヤスライシングシステムまたは機器に関する。特定の実装において、このシステムは、以下の少なくとも１つおよび好ましくは２つ以上を備える：低屈曲性スプール巻；単層捲き用の２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリ；定力ワイヤ弧形センサ；薄い形状および／または複雑な幾何学的形状プロファイリングの曲線状スライシング能；ワークピース揺動および回転；および高張力および高ワイヤ速度。好ましい実装はすべてのこれらの機構を同時に組み合わせる。

ワイヤスライシングシステムの特定の例が図２０、図２１および図２２に示されている。図２０には、例えば、３Ｄ仮想空間において組み立てられた数々の設計された構成部品の三次元イメージが示されている。図２１および図２２は、ワイヤガイド、ワイヤスプール巻ローラ、ワイヤテンショナを備える、例えばドアカバーが開放されて示されているシステムの図である。

本明細書に開示のシステムは、上述のものなどのダイアモンドワイヤを採用することが好ましく、これは、例えばウエハ成形の最中における半導体産業用の硬質セラミックのスライシングにおいて特に有用である。いくつかの実装において、本明細書に開示のシステムは、単一ワイヤワイヤスライシングとマルチワイヤスライシングとの間で交換可能であるツールで提供されている。異なるピッチおよび溝の量を有するツールもまた提供されることが可能である。

このシステムは、好ましくは、より大きな単一の層スプール巻長に対応するよう変更されたワイヤスプール巻システムを採用する。同様に、上述のタイミングベルトワイヤスプール巻ドラム駆動装置は、一方のサーボが駆動モータとして機能する一方で他方が休止されているかのように作動されるデュアルサーボシステムが用いられるよう変更されることが可能であり、それ故、個別の張設システムが排除されると共に、スプールでのワイヤスプール巻ＯＤ変化の増減が許容される。これらのサーボは、前後スライシングにおける場合などワイヤの方向が反対になった場合に、駆動と休止とが切り替えられる。

多くの事例において、ワークピースはワイヤに向かって上方に移動する。このシステムはまた、ワークピースがワイヤに向かって下方に供給されるよう設計されることが可能であり、これにより効率的な切屑の除去が許容される。下方供給スライシングについては、定力センサは、反対の弧形に対応するようワイヤの下方で動くワイヤ弧形用の追従ローラが備えられるよう変更される。

ワークピースが供給される方向にかかわらず、本発明の好ましい実装は、スライシングプロセスの最中のワークピースの上下前後への移動、回転および／または揺動を許容する。定力システムは、切断プロセスのより良好な制御のために提供される。

このシステムは、一定供給プログラムならびに定力を用いるスライシングのために多様な能力を有するよう設計されることが可能である。一定供給プログラムは、切れ目の深さまたは経過時間で変更されることが可能である可変供給速度でプログラム可能である。

１つ以上のコンピュータプログラムを追加して、経時的に新たなワイヤが露出されるようワイヤの前進を段階的に増やして、一定の切溝およびワイヤの均一な先鋭さを確保することが可能である。この能力は、ワイヤの使用が連続的に進められて新たなワイヤが切断の最中に露出されるプログラムに利用されることが可能である。これは、製造環境においてなどワイヤの長さがきわめて長くおよび連続的なスライシングモードが必要とされる場合には特に有益であり得る。

システムはスライシングゾーンの冷却が組み込まれていることが好ましい。好ましい例においては、冷却流体は、例えば、共にＷｅｂｓｔｅｒへの、共に「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｊｅｔ Ｎｏｚｚｌｅｓ ｆｏｒ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の発明の名称を有する、２００３年１２月３０日発行の米国特許第６，６６９，１１８ Ｂ２号明細書および２００６年８月８日発行の米国特許第７，０８６，９３０ Ｂ２号明細書に記載されているコヒーレントジェットノズル技術を介して送出され、これらの教示は、参照により、本明細書においてその全体が援用されている。

例えば、冷却流体は、以下を備えるノズルアセンブリを介して送ることが可能である：プレナムチャンバ；前記プレナムチャンバの下流側に取り外し可能に固定されたモジュラーフロントプレート；前記モジュラーフロントプレートを通して流体を送出するために配設された少なくとも１つのコヒーレントジェットノズル；下流軸および横断寸法Ｄを有する基端部分を有するコヒーレントジェットノズル；遠位端部分；下流方向に横断寸法が低減する遠位端部分；横断寸法ｄを有する出口で終わる遠位端部分；ここで、比Ｄ：ｄは、少なくとも約２：１であり；ならびに、前記プレナムチャンバ内に配設されたコンディショナ。他の装置においては、ノズルアセンブリは：プレナムチャンバ；前記プレナムチャンバの下流側に取外し可能に固定可能であるモジュラーカード；前記プレナムチャンバからその中を通って流体を送るための前記カード内に配設された少なくとも１つのコヒーレントジェットノズル；ノズルから約３０．５ｃｍの距離にわたって約４倍以下で横断寸法が増加する、噴霧を形成するよう構成された少なくとも１つのコヒーレントジェットノズル；ならびに、前記プレナムチャンバ内に配設されたコンディショナを備える。さらなる装置においては、ノズルアセンブリは：プレナムチャンバを提供するための手段；約３０．５ｃｍの距離にわたって約４倍以下で横断寸法が増加する、噴霧を形成するためのノズル手段；前記プレナムチャンバ手段の下流側にノズル手段を脱着可能に接続する手段；ならびに、前記プレナムチャンバ内に置かれた流体をコンディショニングするための手段を備える。

好ましい実施形態においては：ａ）粉砕操作のための冷却剤の所望の流量を判定する工程；ｂ）例えば冷却剤流量での周辺ワイヤ速度におよそ等しい冷却剤噴射速度を形成するために必要な冷却剤圧力を判定する工程；ｃ）冷却剤噴射速度を達成することが可能であるノズル排出領域を判定する工程；ならびに、ｄ）冷却剤噴射速度での粉砕冷却剤のコヒーレントジェットを送出するためのノズルアセンブリを提供する工程を含む方法に粉砕冷却剤のコヒーレントジェットを送出するための方法によって冷却がもたらされ、ここで、ノズルアセンブリはプレナム手段および少なくとも１つのノズルを備え、ノズルは、軸、最大寸法Ｄを有する基端、および、寸法ｄの縦断面を有するノズル排出領域を含む遠位端部分；軸に対して少なくとも３０度の角度で設けられた表面を有する遠位部分を備え；ならびに、ノズルは、少なくとも約２：１のＤ：ｄ比によって特徴付けられる。

他の好適な冷却装置を採用することが可能である。

このシステムはまた、さらなるプロセス制御を可能とするであろうソフトウェア能と共に実装されることが可能である。これは、駆動サーボからの電力、および、ワイヤ張力の制御に用いられるデジタル制御比例バルブからの電力の連続的な監視による、早期のワイヤ破断の検出を含む。ワイヤ張力および伸度を監視することにより、潜在的なワイヤの破断状況を検出することが可能であり、ならびに、機器は、切断を停止し、および、切断を取り消すよう指示されることが可能である。

デジタルフィードバックシステムを定力センサに用いることが可能である。上述のとおり、切断の最中の最大力条件を検出すると共に、スライシング速度がワイヤを緩めてセンサが停止されるまで供給メカニズムに停止を指示するセンサが備え付けられた機器。スライシングの最中のワイヤの弧形の最大の切断力への変換の原理に基づいて機能するこのアプローチは、最大だけではなく弧形角度を連続的に監視するようさらに改良または変更されることが可能である。このような変更は、複雑なプロセス制御およびインゴットの可変力スライシングを可能とする。可変力プログラムは、切断プロファイルを通してワイヤ接触長が変更される対象のスライシングにおいて潜在的に有益であろう。丸型のインゴットは、これを０から切断を通じた部分のＯＤまでの接触長の変化として示す。

有利なことに、本明細書に開示のシステムにはワークピースの固有の取扱いが組み込まれることが可能であり、これは、スライシングプロセスにおける多用性を可能とする。インゴットは、スライシングの最中に、回転または揺動されると共に、上下前後に動かされることが可能である。上述の通り、ワイヤの固有の取扱い方法およびスプール巻は、ワイヤの屈曲量を最低限とすると共に、ワイヤの破断をもたらしていたワイヤの重畳を排除する。

本明細書に記載のシステムの例は、１５ｍ／ｓのワイヤ速度に達することが可能であると共に、５０Ｎ以下の張力範囲を有することが可能である。既存の研磨ワイヤスライシング用機器と比較した場合、システムの特定の実装は、より速い切断速度および向上した品質の切断をもたらすことが可能である。

例示的な研磨材固定ワイヤスライシング用機器の仕様が以下の表１に示されている。

その好ましい実施形態を参照して本発明を具体的に示すと共に説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細における種々の変更を成し得ることは当業者によって理解されているであろう。

Claims (10)

1. 研磨材固定ワイヤを切断ゾーンに供給するための実質的に平面的なワイヤ経路であって、ワイヤスプール、ワイヤガイドあるいはワイヤテンショナの１つ以上によって定義されるワイヤ経路；と
   互いに作動可能に連結された複数のローラを備える、２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリであって、前記複数のローラの少なくとも１つがモータに接続されているアセンブリ；とを備え、更に、
   ワークピースに接触しているスライシングワイヤでの弧形角度を監視するシステムであって、前記スライシングゾーンでの前記ワイヤの弧形化に追従するデバイスの動きを検出するための検出器を備える前記弧形角度を監視するための前記システム；と、
   第１のリニアステージと第２のリニアステージ上に設けられた回転ステージとを備えるアセンブリであって、前記第２のリニアステージが前記第１のリニアステージとは異なるアセンブリ；と
   の何れか１つを備えてもよい研磨材固定ワイヤスライシングシステム。
2. 少なくとも１つのコヒーレントジェットノズルを備える冷却システムをさらに備える、請求項１に記載の研磨材固定ワイヤスライシングシステム。
3. 前記２連ドラム式一層巻き取り型アセンブリがリニアステージ上に設けられている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ワイヤの弧形化に追従する前記デバイスが、支点を中心に回転可能であるピボットアームに設けられているボールベアリングローラであり、および、前記デバイスの動きを検出する前記検出器がピボットアームの反対の終端に設けられたプローブを検出可能である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記検出器によって検出された前記弧形角度が設定された弧形角度値に達したら、前記ワークピースの前記スライシングワイヤへの供給を停止する手段をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第２のリニアステージが垂直であるか、または、前記回転ステージがステップモータによって駆動される、請求項１に記載のシステム。
7. スライシング操作の最中に前記ワークピースの揺動角度を制御する手段をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
8. ワイヤスプール、ワイヤガイドまたはワイヤテンショナの１つ以上を備えている研磨材固定ワイヤ取扱いアセンブリであって、前記スプール、ワイヤガイドまたはワイヤテンショナによって定義されるワイヤ経路が実質的に平面的であるアセンブリ；と、
   二連ドラムでのワイヤピッチを制御するための巻き取りアセンブリであって、第１のローラおよび第２のローラを備え、前記第１と第２のローラは互いに作動可能な状態で連結されており、前記第１のローラおよび第２のローラの少なくとも一方がモータに接続されているアセンブリと
   を備え、更に、
   第１の軸および第２の軸およびテーブルのそれぞれを、スライシング操作の最中にワークピースを回転させるために制御するためのリニアステージ；を
   備えてもよい研磨材固定ワイヤスライシングシステム。
9. （ｉ）前記第１のローラ上の前記ワイヤピッチが前記第２のローラ上の前記ワイヤピッチとは独立して制御されるか；または、（ｉｉ）前記第１のローラおよび前記第２のローラの一方または両方が単一の層の研磨材固定ワイヤを支持するか；または、（ｉｉｉ）前記第１のローラおよび第２のローラの一方または両方が２層以上の研磨材固定ワイヤを支持する、請求項８に記載のシステム。
10. 請求項８に記載のアセンブリによって製造されるワークピース。

Images