JP6256870B2

JP6256870B2 - ワイヤソー及びその制御方法

Info

Publication number: JP6256870B2
Application number: JP2013213308A
Authority: JP
Inventors: 竜也米田; 典雅赤松
Original assignee: Takatori Corp
Current assignee: Takatori Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: JP2015074067A

Description

本発明は、シリコン、サファイア、シリコンカーバイド等の半導体材料やセラミックス等を切断するワイヤソー及びその制御方法に関する。

従来から半導体インゴット等のワークをウエハ状に切り出すワイヤソーが知られている。このワイヤソーは、複数の溝ローラ間にワイヤが巻き回されてワイヤ列が形成され、該ワイヤを一方向走行または往復走行させながら、前記ワークを前記ワイヤ列に押し付けることで該ワークをウエハ状に多数枚同時に切り出すように構成されている。

前記ワイヤソーでは、ワイヤの両端が、それぞれワイヤの繰出し・巻取り用のリールに巻回されており、繰出し側のリールから繰出されたワイヤは、複数の溝ローラを経由して巻取り側のリールに巻取られるようになっている。また、ワイヤ走行方向が切り替わる際には、上記の繰出し側と巻取り側が逆の状態となって、ワイヤの繰出し及び巻取りが行なわれる。

前記ワイヤソーのワイヤの繰出し及び巻取りには、トラバーサが設けられ、リールに対してその軸方向にワイヤを均等に巻取るようになっており、ワイヤの巻乱れを防止して、次のワイヤの繰出しを円滑に行うようになっている。

上記のようなトラバーサには、リールの軸線方向に移動自在なトラバーサテーブルが設けられ、該トラバーサテーブル上に設けたトラバースローラ（スイングローラに相当）とリール間のワイヤの角度を該トラバースローラに設けられた角度検出器で常時検出し、このトラバーサテーブルを軸線方向に移動させて該トラバースローラとリール間の角度を直角に制御することが知られている。このように前記角度検出器でトラバースローラの揺動角を常時検出し、トラバーサテーブルの連続追従制御することが行なわれている（例えば特許文献１）。

また、テンションローラの位置でワイヤの基準合力を求め、トラバースローラの位置でワイヤの目標位置からの変位に基づく変動合力を検出し、前記基準合力と変動合力との差の変動に基づいてトラバースローラの移動速度を制御することも知られている（例えば特許文献２）。

特開平７−１７８６６０号公報特許第５１７７７０１号公報

しかし、特許文献１の装置は、トラバースローラがこのトラバースローラとリール間のワイヤの角度に応じてトラバースローラの軸線方向に傾斜揺動するため、その角度の変化が大きい場合にトラバースローラの揺動量が大きくなり、トラバースローラに負荷が掛かり過ぎる問題があり、トラバースローラのガタや破損が起こる場合があった。

また、トラバースローラとリールの回転軸方向が直交するため、トラバースローラがワイヤの繰出し角度変化に追従するためには、トラバースローラの回転方向と異なる方向にトラバースローラを揺動させる必要があり、トラバースローラの負荷が高まる原因となっていた。

また、特許文献２の装置は、トラバースローラとテンションローラの位置でそれぞれのローラに掛かる合力を求めてトラバースローラの基準合力とのずれからトラバースローラの往復移動速度を制御するものであり、２か所に張力検出器を設ける必要があるため、レイアウトの自由度が制約されたり、装置が大型化したりする問題があった。また、２個の張力検出器が必要となるためコストも増大する問題があった。さらには、２個の検出器間に距離があるため、２個の検出器間の誤差を拾い、安定な張力検出を行ない難い問題があった。

また、特許文献２の装置では張力検出器の１つを可動するトラバースローラに設けているため、ワイヤ走行中に検出する場合、装置の振動などによる誤差を受け易い問題があった。また、ワイヤが断線した際に張力付与を行なっているトラバースローラ部に断線したワイヤが達するとトラバースローラが激しく動くため、トラバースローラに設けた張力検出器が破損したり誤作動したりする問題があった。

そこで、本発明の目的は、装置を大型化することなくトラバースローラとリール間のワイヤの角度と張力を安定に測定し、迅速にトラバースローラを制御して、ワイヤ走行を安定させることにある。

そこで、請求項１の発明は、軸線回りにそれぞれ往復回転可能に設けられワイヤの繰出し及び巻取りを行なう一対のリールと、前記ワイヤが巻回される複数本の溝ローラと、前記リールの少なくとも一方に設けられ、前記ワイヤの繰出しまたは巻取りの際に前記リールの軸線方向に移動して所定位置に該ワイヤを案内するトラバースローラとを備えたワイヤソーにおいて、
前記トラバースローラの位置でトラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力を前記リールの軸線方向に沿ったＸ方向成分の分力と前記リールの軸線方向と垂直方向のＹ方向成分の分力として検出する検出手段と、
基準位置から変位したトラバースローラの位置で、前記検出手段により検出される、トラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力のＸ方向分力とＹ方向分力とに基づいて、基準位置からのワイヤの傾き角度を求め、前記角度からＸ方向の前記基準位置からのワイヤの変位距離を算出し、前記変位距離を打ち消す方向に前記トラバースローラを移動させる制御部とを設けた構成を採用したワイヤソーである。

請求項２の発明は、前記制御部で前記Ｘ方向成分の分力とＹ方向成分の分力から前記トラバースプーリに掛かるワイヤ張力を算出するようにした請求項１に記載の構成を採用したワイヤソーである。

請求項３の発明は、軸線回りにそれぞれ往復回転可能に設けた一対のリールから繰出し及び巻取りされるワイヤを前記リールの軸線方向に移動して所定位置に該ワイヤをトラバースするワイヤソーの制御方法において、
前記トラバースローラの位置に設けた検出手段でトラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力を前記リールの軸線方向に沿ったＸ方向成分の分力と前記リールの軸線方向と垂直方向のＹ方向成分の分力として検出し、
基準位置から変位したトラバースローラの位置で、前記検出手段により検出される、トラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力のＸ方向分力とＹ方向分力とに基づいて、基準位置から変位したワイヤの傾き角度を求めることで、前記角度からＸ方向のワイヤの変位距離を算出し、前記変位距離を打ち消す方向に前記トラバースローラを移動制御する構成を採用したワイヤソーの制御方法である。

請求項４の発明は、前記Ｘ方向成分の分力とＹ方向成分の分力から前記トラバースプーリに掛かるワイヤ張力を算出するようにした請求項３に記載の構成を採用したワイヤソーの制御方法である。

本発明によれば、トラバースローラの位置の１箇所でトラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力を前記リールの軸線方向に沿ったＸ方向成分の分力と前記リールの軸線方向と垂直方向のＹ方向成分の分力として検出し、基準位置から変位したトラバースローラの位置で、前記検出手段により検出される、トラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力のＸ方向分力とＹ方向分力とに基づいて、基準位置から変位したワイヤの傾き角度を求めることができ、その検出値からリールとトラバースローラとの間におけるワイヤのリール軸線方向の変位量を算出できるので、装置のガイドローラ配置の制約も低減でき設計の自由度が増すとともにトラバースローラが揺動しないのでワイヤの捩れが低減されワイヤが安定走行する。

また、１箇所で検出を行うので、複数個所で測定する場合に比べ、それぞれの検出位置間のストロークを最小にでき、それぞれの検出位置間での変動誤差による影響を受け難いので、精度の良い検出とトラバース制御を行なうことができる。

また、トラバースローラの回転軸をリールの回転軸と直交するように配置し、リールからのワイヤの繰出し角度を分力計で検出されたＸ方向分力とＹ方向分力とから検出するようにしたので、トラバースローラを揺動させることなく前記角度の検出が行なえ、トラバースローラの偏摩耗やガタの発生を防止でき、精度の良いトラバースを行なうことができる。また、これに伴いワイヤの断線発生も低減できる。

さらに、ワイヤ走行反転時に限定することなく、連続的にリールから繰出されるワイヤ角度を検出できるので、ワークを切断する際の条件設定の自由度が増し、ワークを精度良く切断できる。また、前記ワイヤ角度を連続的に検出し、ワイヤのトラバースを連続的に行なえるので、精度の良いトラバースを高速で行なうことができる。

また、本発明によれば、トラバースローラに設けた検出手段によって張力を算出できるので、トラバースローラ以外の箇所にロードセルなどの張力測定器を設けることなく、ワイヤの張力を測定できるのでコストダウンでき、さらにワイヤソーに配置されるガイドローラのレイアウトの自由度が増す。

は、本発明のワイヤソーの全体概略図である。は、本発明のワイヤソーに適用されたトラバース装置の一実施形態を表す平面図である。は、図２の一部切欠き右側面図である。は、本発明のワイヤソーに適用されたトラバース装置の説明図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明のワイヤソーに適用されたトラバース装置の動作説明図である。は、本発明に適用されたトラバース装置の動作説明図である。

以下、本発明の一実施形態について図１乃至図４に基づいて説明する。

図１は、本発明のトラバース装置を適用したワイヤソーの全体概略図である。図１のようにワイヤソー１は、ワイヤ２が巻き掛けられた供給リール３と、前記供給リール３から繰出されたワイヤ２を所定の方向にトラバースするトラバース装置２０と、前記ワイヤ２に所定の張力を付与するテンションローラ８ａ、８ｂと、前記テンションローラ８ａ、８ｂからワイヤ２を所定の方向に導く複数のガイドローラ７ａ、７ｂと、前記ガイドローラ７ａ、７ｂから導かれたワイヤ２が複数回巻き掛けられてワイヤ列を形成する２本の溝ローラ１１ａ、１１ｂと、前記溝ローラ１１ａ、１１ｂから導かれたワイヤ２をトラバース機構２０によって所定のピッチで巻取る回収リール４と、前記２本の溝ローラ１１ａ及び１１ｂの間の上部に設けられるワークＷを保持し、前記ワイヤ列に向けて該ワークＷを押し付けるワークテーブル１７とを備えて構成される。

前記供給リール３及び回収リール４は、図示しないワイヤソー１の本体枠に回動可能に軸支されている。また、前記供給リール３及び回収リール４は、それぞれ図示しない駆動モータに接続され、正逆方向に回転することでワイヤ２を一方向走行または往復走行させるようになっている。そして、前記供給リール３及び回収リール４の繰出し及び巻取りのストローク差によりワイヤ２が一方向に供給されるようになっている。前記供給リール３には、例えばダイヤモンド砥粒が電着やレジンにより芯線に固定された固定砥粒ワイヤ２が巻き付けられている。

前記供給リール３から繰出されたワイヤ２は後述するトラバース装置２０によってトラバースされながらガイドローラ７ａによってテンションローラ８ａに導かれる。なお、供給側のテンションローラ８ａと回収側のテンションローラ８ｂは、同様の機構であるので供給側のテンションローラ８ａで代表して説明し、回収側のテンションローラ８ｂの説明は省略する。

前記テンションローラ８ａは、テンションアーム９ａの一端に軸支され正逆回転自在になっている。また、テンションアーム９ａの他端側は、ワイヤソー１の図示しない本体枠に固定されたモータ１０ａの軸に軸止され、その先端のテンションローラ８ａ側が揺動するようになっている。従って、テンションローラ８ａは、テンションアーム９ａの揺動によって、揺動することでテンションローラ８ａに巻き掛けられたワイヤ２に所定の張力を付与するようになっている。

前記溝ローラ１１ａ、１１ｂは、図示しないワイヤソー１の本体枠に軸支され、その一方または両方に駆動源が設けられている。従って、前記溝ローラ１１ａ、１１ｂは、正逆転自在になっている。また、前記溝ローラ１１ａ、１１ｂのそれぞれの表面には、複数の溝が所定ピッチで形成されており、前記溝に前記ワイヤ２が螺旋状に巻き掛けられてワイヤ列が形成されている。そして、前記溝ローラ１１ａ、１１ｂが前記駆動源により一方向回転又は正逆回転されることで、ワイヤ２が一方向又は往復走行するようになっている。

前記ワークテーブル１７は、前記溝ローラ１１ａ、１１ｂの上部に設けられ、その下面に適宜の固定手段で脱着可能にワーク台１６が固定される。前記ワーク台１６には、カーボンやセラミック等で形成されたダミー部材１５を介してサファイア、シリコンカーバイド、窒化ガリウムなどの脆性素材が接着固定される。

前記ワークテーブル１７は、昇降モータ１８により図示しない適宜のボールネジなどを介して昇降自在に構成され、ワークテーブル１７に保持されたワークＷを前記溝ローラ１１ａ、１１ｂ間のワイヤ列に押し付けるようになっている。

前記ワークＷは、上記のように走行するワイヤ２に押し付けられながら、加工液（固定砥粒ワイヤを使用する場合は、水等の冷却液、遊離砥粒方式の場合は、芯線ワイヤに砥粒が混練されたスラリ）をワークＷの近辺に供給することで複数枚のウエハとして切断される。

次に本発明のトラバース装置２０について、図２及び図３に基づいて以下に説明する。なお、トラバース装置２０は、本実施形態においてはワイヤ２の供給側、回収側の両方に設けられているが、供給側、回収側のいずれか一方にのみ設けるようにしても良い。また、前記トラバース装置２０は、供給側と回収側とで同様のものを設けているので、説明は、供給側について行ない、回収側の説明は省略する。

図２のように前記トラバース装置２０は、供給リール３の近傍に設けられ、トラバースローラ５ａと、このトラバースローラ５ａの軸に設けられた検出手段としての分力計６ａと、前記トラバースローラ５ａを駆動する駆動部２８と、前記分力計６ａと駆動部２８とを制御する制御部２９とを備える。

図２及び図３のように前記トラバースローラ５ａは、前記供給リール３の回転軸と直交する方向に立設された分力計６ａの軸に軸支されており、前記トラバースローラ５ａは、正逆回転自在になっている。

前記トラバースローラ５ａは、前記駆動部２８によって供給リール３の軸線方向に移動するようになっている。前記駆動部２８は、前記ワイヤソー１の図示しない本体枠に固定されたベース枠２１と、このベース枠２１に沿って敷設された２本のレール２５、２５と、前記ベース枠２１に沿って回動可能に設けられたボールネジ２３と、このボールネジ２３の一端に接続されたモータ２２と、前記分力計６ａを介してトラバースローラ５ａを前記レール２５、２５に沿って移動可能に保持する移動枠２６とを備える。

前記移動枠２６は、その裏面に設けられた前記レール２５、２５と摺動可能に嵌合するスライダ２７、２７と、前記移動枠２６の裏面に固定され、前記ボールネジ２３と螺合するナット部材２４とを備える。前記移動枠２６は、前記モータ２２を正逆回転駆動することで供給リール３の回転軸線に沿った往復移動が自在になっている。

次に図４及び図５に基づいて、本発明のトラバース装置２０及びその制御方法について説明する。本説明においても供給側と回収側のトラバース装置２０の動作は同様であるので供給側の説明を代表して行ない、回収側の説明は省略する。

図４のようにトラバースローラ５ａにはワイヤ２が巻き掛けられ、このワイヤ２にテンションローラ８ａで付与されたワイヤ張力Ｆｔが掛かっている。なお、図４では、供給リール３とトラバースローラ５ａとの間のワイヤ２が９０°に繰出される場合を例に挙げている。従って、トラバースローラ５ａに掛かる張力のＸ方向成分とＹ方向成分はそれぞれワイヤ２に掛かる張力Ｆｔが掛かっている。そして、このＸ方向成分とＹ方向成分の合力Ｆｃがトラバースローラ５ａに設けた分力計６ａに入力される。

前記分力計６ａは、上記のように合力Ｆｃが入力されると、この合力ＦｃのＸ方向成分の分力ＦｘとＹ方向成分の分力Ｆｙを検出するようになっている。なお、この場合の分力Ｆｘ、Ｆｙは、それぞれＦｔとなる。このように分力計６ａは、一度に２成分の分力を検出することができる。検出された分力Ｆｘ、Ｆｙはそれぞれ制御部２９に送られ、後述するトラバースプーリ５ａの移動制御が行われる。

次に前記分力計６ａを使用して供給リール３とトラバースローラ５ａとの間のワイヤ２のＸ方向への変位量を検出する方法について図５（ａ）、（ｂ）に基づいて以下に説明する。

図５（ａ）は、基準位置において分力計６ａに合力Ｆｃが掛かっている状態を表している。なお、理解が容易なように供給リール３とトラバースローラ５ａとの間のワイヤ２の角度が図示のように９０°の場合を例に説明するが、基準位置は前記ワイヤ２の角度が９０°以外の位置を基準にすることもできる。

前記分力計６ａに合力Ｆｃが掛かると合力Ｆｃは、Ｘ方向成分とＹ方向成分とに分解された分力Ｆｘ１と分力Ｆｙ１として前記分力計６ａに検出される。なお、この時の分力Ｆｘ１と分力Ｆｙ１は、それぞれトラバースローラ５ａの接線方向に掛かる力と等しくなる。すなわち、前記分力Ｆｘ１と分力Ｆｙ１は共にワイヤ２に付与される張力Ｆｔと等しくなる。

次にワイヤ２が供給リール３から繰出される繰出し位置（Ｘ方向位置）が変化し、前記供給リール３とトラバースローラ５ａとの間のワイヤ２が角度θをなした場合について、図５（ｂ）に基づいて説明する。

この時、トラバースローラ５ａの両端に掛かるワイヤ２の張力は、テンションローラ８ａで付与されている張力Ｆｔが一定であるので、張力Ｆｔが掛かった状態となる。そして、これらの張力Ｆｔに基づいたトラバースローラ５ａに掛かる変動合力ＦｄのＸ方向分力Ｆｘ２とＹ方向分力Ｆｙ２が分力計６ａに検出される。

この時の張力Ｆｔ、変動合力Ｆｄ、この変動合力のＸ方向分力Ｆｘ２、Ｙ方向分力Ｆｙ２は、次の関係が成り立つようになっている。すなわち、図５（ｂ）のハッチを入れた三角形部分は、下記式１が成り立つようになっている。

Ｆｙ２^２＋（Ｆｔ−Ｆｘ２）^２＝Ｆｔ^２・・・（式１）

この式１よりワイヤ張力Ｆｔは、
Ｆｔ＝（Ｆｘ２^２＋Ｆｙ２^２）／２Ｆｘ２・・・（式２）
となる。

上記式２により、分力計６ａで検出した検出値Ｆｘ２、Ｆｙ２から張力Ｆｔが求まる。また、ワイヤ２の傾き角度θは、以下の式３により求めることができる。
θ＝ｔａｎ^−１（（Ｆｔ−Ｆｘ２）／Ｆｙ２）・・・（式３）

上記のワイヤ２の傾き角度θの検出は、ワイヤ２の走行中に連続的に行うことができる。なお、さらに検出精度を高めるために、ワイヤ２が往復反転する停止の際に検出し、その値でパラメータの補正を行うようにしても良い。

図６のように上記角度θを求めることで、基準合力Ｆｃを発生する際のトラバースローラ５ａとワイヤ２の基準位置（以下単に基準位置という）からリールの軸線方向に移動して変位したワイヤ２の変位距離Δｘを算出できる。

なお、基準位置からワイヤ２の繰出し基準位置（巻取りの場合は巻取り基準位置）までの距離ｄは予め物理的な距離から求めることができる。なお、供給リール３または回収リール４での貯線量によって前記距離ｄは変化するが、あまり大きな影響を与えないので無視することもできる。この貯線量による前記距離ｄの変化は、ワイヤ２の線径、巻きピッチなどから算出し、補正するようにしても良い。

上記角度θ、距離ｄから変位距離Δｘは以下の式４により求められる。
Δｘ＝ｄ×ｔａｎθ・・・（式４）

上記求められた変位距離Δｘを元に戻すようにトラバース装置２０に制御部２９から指令が出され、トラバースローラ５ａは前記基準位置に戻るようトラバースされる。これらの制御は、巻取り側のトラバース装置２０においても同様に行われ、トラバースローラ５ｂも基準位置に戻るように制御される。以上が本発明の構成及び動作であるが、本発明は適宜発明の範囲内で変更でき、上記実施の形態には限定されない。

本発明では、固定砥粒ワイヤを用いた例を説明したが、スラリをワイヤに供給しながら切断する遊離砥粒方式のワイヤソーでも実施できる。また、分力計も、その分力計に掛かる合力を測定し、この合力を少なくとも所定の２方向に分解した分力を測定できるものであれば種類は問わない。

Ｗワーク
Ｆｔワイヤ張力
ＦｘＸ方向分力
ＦｙＹ方向分力
Ｆｘ１Ｘ方向分力
Ｆｙ１Ｙ方向分力
Ｆｘ２Ｘ方向分力
Ｆｙ２Ｙ方向分力
Ｆｃ基準合力
Ｆｄ変動合力
１ワイヤソー
２ワイヤ
３供給リール
４回収リール
５ａトラバースローラ
５ｂトラバースローラ
６ａ分力計
６ｂ分力計
７ａガイドローラ
７ｂガイドローラ
８ａテンションローラ
８ｂテンションローラ
９ａテンションアーム
９ｂテンションアーム
１０ａモータ
１０ｂモータ
１１ａ溝ローラ
１１ｂ溝ローラ
１５ダミー部材
１６ワーク台
１７ワークテーブル
１８モータ
２０トラバース装置
２１ベース枠
２２モータ
２３ボールネジ
２４ナット部材
２５レール
２６移動枠
２７スライダ
２８駆動部
２９制御部

Claims

軸線回りにそれぞれ往復回転可能に設けられワイヤの繰出し及び巻取りを行なう一対のリールと、前記ワイヤが巻回される複数本の溝ローラと、前記リールの少なくとも一方に設けられ、前記ワイヤの繰出しまたは巻取りの際に前記リールの軸線方向に移動して所定位置に該ワイヤを案内するトラバースローラとを備えたワイヤソーにおいて、
前記トラバースローラの位置でトラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力を前記リールの軸線方向に沿ったＸ方向成分の分力と前記リールの軸線方向と垂直方向のＹ方向成分の分力として検出する検出手段と、
基準位置から変位したトラバースローラの位置で、前記検出手段により検出される、トラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力のＸ方向分力とＹ方向分力とに基づいて、基準位置からのワイヤの傾き角度を求め、前記角度からＸ方向の前記基準位置からのワイヤの変位距離を算出し、前記変位距離を打ち消す方向に前記トラバースローラを移動させる制御部とを設けたことを特徴とするワイヤソー。
前記制御部で前記Ｘ方向成分の分力とＹ方向成分の分力から前記トラバースプーリに掛かるワイヤ張力を算出するようにした請求項１に記載のワイヤソー。
軸線回りにそれぞれ往復回転可能に設けた一対のリールから繰出し及び巻取りされるワイヤを前記リールの軸線方向に移動して所定位置に該ワイヤをトラバースするワイヤソーの制御方法において、
前記トラバースローラの位置に設けた検出手段でトラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力を前記リールの軸線方向に沿ったＸ方向成分の分力と前記リールの軸線方向と垂直方向のＹ方向成分の分力として検出し、
基準位置から変位したトラバースローラの位置で、前記検出手段により検出される、トラバースローラの両端に掛かるワイヤ張力の合力のＸ方向分力とＹ方向分力とに基づいて、基準位置から変位したワイヤの傾き角度を求めることで、前記角度からＸ方向のワイヤの変位距離を算出し、前記変位距離を打ち消す方向に前記トラバースローラを移動制御することを特徴とするワイヤソーの制御方法。
前記Ｘ方向成分の分力とＹ方向成分の分力から前記トラバースプーリに掛かるワイヤ張力を算出するようにした請求項３に記載のワイヤソーの制御方法。