KR20120055256A - 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치 - Google Patents

와이어 소우 머신의 장력 조절 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정교한 와이어의 장력 조절이 가능하여 와이어의 파단과 정밀한 잉곳의 슬라이싱이 가능한 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공급된 잉곳을 절단하는 와이어; 상기 와이어에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급기; 상기 와이어를 공급하는 공급 롤러; 상기 공급 롤러에서 출발하는 와이어를 권취하는 공급 덴서; 상기 공급 덴서에 권취된 와이어를 길이 방향으로 다수 회 권취하는 동일한 직경 및 길이를 갖는 다수의 가이드 롤러; 상기 다수의 가이드 롤러에 권치된 와이어를 권치하는 테이크업 가이드 롤러; 상기 테이크업 가이드 롤러에 권치된 와이어를 테이크업하는 테이크업 롤러; 상기 공급 덴서에 장착된 장력 조절 수단; 및 상기 공급 롤러와 테이크업 롤러의 회전수와 상기 장력 조절 수단을 제어하는 제어 장치를 포함한다.

Description

와이어 소우 머신의 장력 조절 장치{Tension control system for wire saw machine}
본 발명은 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 와이어의 정밀한 장력의 조절이 가능하여 가공 정밀도가 높은 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치에 관한 것이다.
반도체 소자를 생산하기 위해서는 여러 공정이 적용되는데 그 중 웨이퍼링 기술은 고평탄, 무결점의 웨이퍼 생산에 있어 매우 중요한 부분을 차지한다. 특히 슬라이싱(slicing) 가공은 결정성장 공정을 통하여 만들어진 반도체 잉곳을 얇게 잘라서 웨이퍼 형태로 만드는 공정으로 웨이퍼의 수율 향상에 직접적인 영향을 미친다.
한편, 상기 슬라이싱 공정은 대표적으로 와이어 소우 머신에 의해 수행되는 방식을 들 수 있다. 와이어 소우 머신에 의한 슬라이싱 공정은 와이어를 일정한 피치로 연속 배치하고, 이에 슬러리를 공급하면서 일반적으로 120~140μm 직경의 와이어를 반복적으로 잉곳의 종방향 축에 대하여 이동시키면서 슬러리를 매체로 사용하여 잉곳을 절단한다.
한편, 상기 와이어 소우 머신에서 원형의 잉곳 절단 시 와이어에 걸리는 장력을 항상 일정하게 유지되어야 웨이프의 휨 현상을 방지하여 두께 정밀도를 유지할 수 있으나, 실제 잉곳 슬라이싱 공정은 초기 절단 시 원형의 잉곳 표면에서 와이어의 위치 설정이 어렵고, 와이어를 향해 하강하는 잉곳의 이송속도를 가공 시작과 끝부분에서 높게 하고 잉곳의 직경이 큰 중간 부분에서 낮게하여 와이어의 선속도를 일정하게 유지할 수 있도록 제어해야 한다.
특히, 잉곳 절단 시 와이어의 장력 및 속도 변화는 슬라이싱 공정 후 연삭, 래핑, 에칭, 폴리싱 공정을 거친 후에도, 웨이퍼 표면의 요철인 나노포토그래프의 값이 높게 나오는 문제점이 야기되고, 웨이퍼의 수율이 저하되는 원인이 되므로, 와이어 소우 머신에서는 와이어의 장력을 유지하는 와이어 장력 조절 장치가 중요한 요소 중 하나이다.
한편, 종래 와이어 소우 머신의 구조를 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이, 와이어(10), 공급 롤러(20), 테이크업 롤러(30), 제1가이드 롤러(40), 제2가이드 롤러(50), 제3가이드 롤러(60), 제4가이드 롤러(70), 이송 장치(80), 공급 덴서(90), 테이크업 덴서(100), 및 슬러리 공급기(200)를 포함한다.
상기 와이어(10)는 먼저 공급 롤러(20)에서 감겨진 상태에서 출발하여 공급 덴서(90), 제1가이드 롤러(40), 제2가이드 롤러(50), 제3가이드 롤러(60) 및 제4가이드 롤러(70) 순으로 권취되며(경우에 따라 제3가이드 롤러(60) 및 제4가이드 롤러(70)가 없는 경우도 있음), 이후 상기 4개의 가이드 롤러들(40, 50, 60, 70)에 일정한 폭으로 연속적으로 권취된다.
이 후 상기 4개의 가이드 롤러(40, 50, 60, 70) 권취 후에는 테이크업 가이드 롤러(100)를 거쳐 테이크업 롤러(30)에 최종 권취된다.
상기 와이어(10)는 일 회 사용 후에는 전체가 교체되어 다시 상기와 같은 권취형태를 가진다.
이때 가공용 잉곳(5)은 제1가이드 롤러(40)와 제2가이드 롤러(50) 사이에 권취된 와이어(20)의 상단에 위치하며, 상기 잉곳(5)의 상단을 이송 장치(80)가 가압하여 하방으로 이동하고 상기 와이어(20)에 슬러리 공급기(100)에서 공급되는 슬러리가 공급되어 상기 잉곳(5)이 권취된 와이어(20) 수만큼 절단된다.
상기 시스템에서 종래의 장력 조절 방식은 테이크업 롤러(30)에 부착된 모터에 의하여 수행된다. 상기 모터의 전류를 측정하는 홀 센서가 장착되어 상기 홀센서에서 측정되는 전류치를 기준으로 장력을 추정하여 제어 장치(120)에 의하여 와이어의 장력을 조절하는 구성이다. 상기와 같은 장력 조절 방식은 권취가 완료된 와이어(10)의 장력을 센싱하는 것으로 실제 절단이 발생하는 와이어(10)의 장력과는 차이를 나타내고, 또한 모터의 전류만을 측정하므로 장력으로 변환하는 것 자체의 에러도 포함하고 있어, 정교한 장력 조절이 되지 않는 문제점이 있어 종종 와이어(10)가 파단되기도 한다.
특히 상기 와이어(10)와 상기 잉곳(5)은 고가로 그 자체만으로도 많은 비용 손실이 발생하여 와이어(10)의 파단을 방지하고 정교한 슬라이싱이 가능한 새로운 방식의 장력 조절 장치가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 정교한 와이어의 장력 조절이 가능하여 와이어의 파단과 정밀한 잉곳의 슬라이싱이 가능한 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 공급된 잉곳을 절단하는 와이어; 상기 와이어에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급기; 상기 와이어를 공급하는 공급 롤러; 상기 공급 롤러에서 출발하는 와이어를 권취하는 공급 덴서; 상기 공급 덴서에 권취된 와이어를 길이 방향으로 다수 회 권취하는 동일한 직경 및 길이를 갖는 다수의 가이드 롤러; 상기 다수의 가이드 롤러에 권치된 와이어를 권치하는 테이크업 가이드 롤러; 상기 테이크업 가이드 롤러에 권치된 와이어를 테이크업하는 테이크업 롤러; 상기 공급 덴서에 장착된 장력 조절 수단; 및 상기 공급 롤러와 테이크업 롤러의 회전수와 상기 장력 조절 수단을 제어하는 제어 장치를 포함한다.
바람직하게는, 상기 잉곳은 이송 장치에 의하여 이송되어 가이드 롤러들 사이에 권취된 다수의 와이어와 접촉하여 절단이 진행되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 장력 조절 수단은 덴서 모터, 상기 덴서 모터에 연결된 회전축, 상기 회전축에 연결된 로드, 상기 로드에 회전 결합되는 회전체를 포함하고, 상기 와이어는 상기 회전체에 권취되고, 상기 덴서 모터의 회전에 의하여 상기 와이어의 장력이 조절되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 테이크업 롤러에는 테이크업 모터가 연결되어 상기 테이크업 롤러를 회전시키며, 상기 테이크업 모터에는 공급되는 전류를 감지하기 위한 홀센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 공급 롤러에는 공급 모터가 연결되어 상기 공급 롤러를 회전시키며, 상기 공급 모터에는 공급되는 전류를 감지하기 위한 홀센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 회전축에는 로드셀이 장착되어 상기 회전축에 가해지는 와이어의 장력을 감지하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 테이크업 모터의 홀센서에서 감지된 신호와, 상기 로드셀에서 감지된 신호를 이용하여 와이어에 장력을 계산하고, 선정의된 최적 장력을 비교하여 차이값을 이용하여 상기 덴서 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 테이크업 모터의 홀센서에서 감지된 신호와, 상기 공급 모터의 홀센서에서 감지된 신호와, 상기 로드셀에서 감지된 신호를 이용하여 와이어에 장력을 계산하고, 선정의된 최적 장력을 비교하여 차이값을 이용하여 상기 덴서 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 이송 장치와 상기 슬러리 공급기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 장치는 외부 입력을 입력받는 외부 입력 장치와 공정 조건을 외부로 출력하는 외부 출력 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 정교한 장력 조절이 가능하여 잉곳 가공 중 와이어의 파단을 방지하고, 또한 장력 조절에 의하여 잉곳의 가공 정밀도를 높일 수 있으며, 더 나아가 생산성이 우수한 와이어 소우 머신을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치를 설명하는 구성도이며,
도 2는 도 1의 공급 덴서의 구성을 설명하는 구성도이며,
도 3은 도 1의 제어 장치의 기능을 설명하는 설명도이며,
도 4는 종래 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치를 설명하는 구성도이다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 와이어 소우 머신(200)의 장력 조절 장치를 설명하는 구성도이며, 도 2는 도 1의 공급 덴서의 구성을 설명하는 구성도이며, 도 3은 도 1의 제어 장치의 기능을 설명하는 설명도이다.
본 발명에 따른 와이어 소우 머신(200)은 종래 기술과 동일한 부분은 동일한 참조번호를 사용한다.
먼저 본 발명에 따른 와이어 소우 머신(200)은 도 1에 도시된 바와 같이, 와이어(10), 공급 롤러(20), 테이크업 롤러(30), 제1가이드 롤러(40), 제2가이드 롤러(50), 제3가이드 롤러(60), 제4가이드 롤러(70), 이송 장치(80), 공급 덴서(90), 테이크업 덴서(100), 슬러리 공급기(110) 및 제어 장치(120)를 포함한다.
상기 와이어(10)는 먼저 공급 롤러(20)에서 감겨진 상태에서 출발하여 공급 덴서(90), 제1가이드 롤러(40), 제2가이드 롤러(50), 제3가이드 롤러(60) 및 제4가이드 롤러(70) 순으로 권취되며, 이후 상기 4개의 가이드 롤러들(40, 50, 60, 70)에 일정한 폭으로 연속적으로 권취된다.
한편, 필요한 경우 상기 제3가이드 롤러(60) 및 제4가이드 롤러(70)는 생략될 수도 있다.
이 후 상기 4개의 가이드 롤러(40, 50, 60, 70) 권취 후에는 테이크업 가이드 롤러(100)를 거쳐 테이크업 롤러(30)에 최종 권취된다.
상기 와이어(10)는 일 회 사용 후에는 전체가 교체되어 다시 상기와 같은 권취형태를 가진다.
이때 가공용 잉곳(5)은 제1가이드 롤러(40)과 제2가이드 롤러(50) 사이에 권취된 와이어(10) 상단에 위치하며, 상기 잉곳(5)의 상단을 이송 장치(80)가 가압하여 하방으로 이동하고 상기 와이어(10)에 슬러리 공급기(100)에서 공급되는 슬러리가 공급되어 상기 잉곳(5)이 권취된 와이어(10) 수만큼 절단된다.
또한 본 발명에 따른 와이어 소우 머신(200)은 공급 롤러(20)에 공급 모터(22)가 연결되어 공급 롤러(20)를 회전시키며, 같은 방식으로 테이크업 롤러(30)에도 테이크업 모터(32)가 연결되어 상기 공급 모터(22)와 연동하여 테이크업 모터(32)가 회전한다. 즉, 공급 모터(22)의 회전수와 동일하게 테이크업 모터(32)를 회전시켜 와이어(10)가 일정하게 공급 및 테이크업되게 하는 역할을 한다.
또한, 상기 공급 모터(22) 및 테이크업 모터(32) 내부에는 공급 홀센서(24)와 테이크업 홀센서(34)를 각각 포함하여, 상기 모터들(22, 32)로 공급되는 전류를 감지한다.
상기 홀센서(24, 34)에 의하여 감지되는 전류 신호는 각 모터(32)에 작용되는 토크와 연동되어 와이어(10)에 작용되는 장력을 산출할 수 있다.
물론, 상기 모터들(22, 32)은 구동 제어를 위한 제어기들을 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 상기 모터들(22, 32)은 제어 장치(120)에 의하여 제어된다.
한편, 상기 공급 덴서(90)에는 도 2에 도시된 바와 같이 회전축(91)을 기준으로 회전로드(92), 회전체(93)와 상기 회전체(93) 축 상에 설치된 로드셀(94)을 포함한다.
또한 상기 회전축(91)은 덴서 모터(96)에 의하여 구동되며, 상기 덴서 모터(96) 역시 모터 제어기를 포함하는 서보 모터이며, 상기 덴서 모터(96) 역시 상기 제어 장치(120)에 의하여 제어된다.
따라서 상기 덴서 모터(96)는 공급 덴서(90)의 회전로드(92)를 회동시켜 와이어(10)의 장력을 조절한다.
그리고, 상기 로드셀(92)은 상기 공급 덴서(90)에 귄취된 와이어(10)의 장력을 감지하는 역할을 한다. 특히 와이어(10) 장력이 시간에 따른 변화를 연속적으로 측정 가능한 특징이 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 와이어 소우 머신(200)의 장력 조절은 공급 홀센서(24), 테이크업 홀센서(34) 그리고 로드셀(92)에 의하여 감지된 신호, 즉 3개의 신호를 이용하여 와이어(10)의 장력을 계산하는 것부터 출발한다.
상기 센서들의 신호를 이용한 와이어(10)의 장력은 다수의 롤러들과 운전 상태, 그리고 모터 용량에 따라 달라지므로 사전에 많은 가동을 통하여 시험식으로 연동하여 테이블화할 수 있다.
상기 테이블은 3개의 센서값을 기준으로 설정할 수 있으나, 필요한 경우 2개의 센서인, 인테이크 홀센서(34)와 덴서 로드셀(94)의 정보만으로 와이어(10) 장력값을 추정한다. 공급 롤러(20)와 공급 덴서(90) 사이에는 별다른 권치 롤이 존재하지 않으므로, 2개의 정보만으로도 적절한 정확도를 확보할 수 있다.
실제 제어 시에 와이어(10)의 장력은 상기 3개의 센서 출력값을 선 정의된 테이블에 대입하여 바로 실제 장력값(Trel)을 추정한다.
그리고, 와이어 소우 머신(200)의 최적 상태를 나타내는 최적 장력값(Topt)도 사전에 많은 가동을 통하여 선정할 수 있다.
본 발명의 제어 장치(120)는 상기와 같은 테이블과 최적 장력값(Topt)을 내부 메모리에 저장하고 있으며, 각 센서에서 출력되는 신호를 이용하여 실제 장력값(Trel)을 계산한다.
또한, 상기 제어 장치(120)는 공급 모터(22)와 테이크업 모터(32)가 정해진 회전수가 유지되도록 상기 모터(22, 32)를 제어한다.
상기 모터(22, 32)의 회전수는 잉곳(5)의 경도에 따라 달리 선택될 수 있다.
이때, 실제 장력값이 상기 최적 장력값과 차이를 나타낼 때, 상기 장력 차이값을 기준으로 상기 덴서 모터(96)를 제어한다. 상기 덴서 모터(96)가 회전하는 경우 상기 회전체(93)의 중심이 도 2의 점선 방향으로 이송되므로 상기 와이어(10)에 작용하는 장력을 조절할 수 있다.
특히 상기 공급 덴서(90)는 와이어(10)의 경로를 직접 변경하는 구성이므로 장력의 변화를 신속히 조절할 수 있는 특징이 있다.
또한 상기 제어 장치(120)는 상기 슬러리 공급기(110)의 슬러리 배출 유무도 제어한다. 상기 모터(22, 23)가 가동될 때 동시에 상기 슬러리 공급기(110)을 제어하여 슬러리가 와이어(10)에 공급될 수 있도록 제어하며, 또한, 테이크업 롤러(30)에 와이어(10)가 모두 권치된 경우 가공이 끝난 상태이므로 이때는 슬러리의 공급을 중단하도록 제어한다.
또한, 상기 제어 장치(120)는 이송 장치(80)의 하방향 이송을 제어한다. 상기 이송 장치(80)는 잉곳(5)의 절단 진행을 조절하는 것으로 비교적 균일한 속도로 하방으로 이송해야 와이어(10)의 장력 변화를 줄일 수 있으며, 또한, 슬라이싱 공정에서 웨이퍼의 절단 품질을 균일하게 유지할 수 있다.
상기 제어 장치(120)가 제어하는 요소들은 도 3에 도시되어 있다.
3개의 모터(22, 32, 96)들을 제어하여 장력과 와이어(10)의 권취를 조절하고, 이송 장치(80)의 제어하여 잉곳(5)의 하방향 절단 속도를 조절하며, 또한 슬러러 공급기(100)를 제어하여 슬러리의 공급을 조절한다.
또한, 필요한 경우 잉곳(5)의 가공을 위한 기본 정보들을 외부 입력 장치를 통하여 입력받고, 가공에 따른 가공 상태 등을 외부 출력 장치를 통하여 출력한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포함한다.
5: 잉곳 10: 와이어
20: 공급 롤러 22: 공급 모터
24: 공급 홀센서 30: 테이크업 롤러
32: 테이크업 모터 34: 테이크업 홀센서
40: 제1가이드 롤러 50: 제2가이드 롤러
60: 제3가이드 롤러 70: 제4가이드 롤러
80: 이송 장치 90: 공급 덴서
91: 회전축 92: 회전 로드
93: 회전체 94: 로드셀
96: 덴서 모터 100: 테이크업 가이드 롤러
110: 슬러리 공급기 120: 제어 장치

Claims (10)

  1. 공급된 잉곳을 절단하는 와이어;
    상기 와이어에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급기;
    상기 와이어를 공급하는 공급 롤러;
    상기 공급 롤러에서 출발하는 와이어를 권취하는 공급 덴서;
    상기 공급 덴서에 권취된 와이어를 길이 방향으로 다수 회 권취하는 동일한 직경 및 길이를 갖는 다수의 가이드 롤러;
    상기 다수의 가이드 롤러에 권치된 와이어를 권치하는 테이크업 가이드 롤러;
    상기 테이크업 테이크업 가이드 롤러에 권치된 와이어를 테이크업하는 테이크업 롤러;
    상기 공급 덴서에 장착된 장력 조절 수단; 및
    상기 공급 롤러와 테이크업 롤러의 회전수와 상기 장력 조절 수단을 제어하는 제어 장치를 포함하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 잉곳은 이송 장치에 의하여 이송되어 가이드 롤러들 사이에 권취된 다수의 와이어와 접촉하여 절단이 진행되는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 장력 조절 수단은 덴서 모터, 상기 덴서 모터에 연결된 회전축, 상기 회전축에 연결된 로드, 상기 로드에 회전 결합되는 회전체를 포함하고, 상기 와이어는 상기 회전체에 권취되고, 상기 덴서 모터의 회전에 의하여 상기 와이어의 장력이 조절되는 것을 특징으로 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 테이크업 롤러에는 테이크업 모터가 연결되어 상기 테이크업 롤러를 회전시키며, 상기 테이크업 모터에는 공급되는 전류를 감지하기 위한 홀센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 공급 롤러에는 공급 모터가 연결되어 상기 공급 롤러를 회전시키며, 상기 공급 모터에는 공급되는 전류를 감지하기 위한 홀센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 회전축에는 로드셀이 장착되어 상기 회전축에 가해지는 와이어의 장력을 감지하는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 테이크업 모터의 홀센서에서 감지된 신호와, 상기 로드셀에서 감지된 신호를 이용하여 와이어에 장력을 계산하고, 선정의된 최적 장력을 비교하여 차이값을 이용하여 상기 덴서 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 테이크업 모터의 홀센서에서 감지된 신호와, 상기 공급 모터의 홀센서에서 감지된 신호와, 상기 로드셀에서 감지된 신호를 이용하여 와이어에 장력을 계산하고, 선정의된 최적 장력을 비교하여 차이값을 이용하여 상기 덴서 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  9. 청구항 2에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 이송 장치와 상기 슬러리 공급기를 제어하는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 제어 장치는 외부 입력을 입력받는 외부 입력 장치와 공정 조건을 외부로 출력하는 외부 출력 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 소우 머신의 장력 조절 장치.
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