WO2014061053A1 - ワイヤソー装置及び切断加工方法 - Google Patents

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cutting
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wire saw
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昌治 今久留主
利光 岩井
純 大矢
勝 福万
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トーヨーエイテック株式会社
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    • B23D61/18—Sawing tools of special type, e.g. wire saw strands, saw blades or saw wire equipped with diamonds or other abrasive particles in selected individual positions
    • B23D61/185—Saw wires; Saw cables; Twisted saw strips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23D57/0061—Sawing machines or sawing devices working with saw wires, characterised only by constructional features of particular parts of devices for guiding or feeding saw wires
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/04—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools
    • B28D5/045—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools by cutting with wires or closed-loop blades

Definitions

  • a wire saw apparatus is generally used as means for cutting out a thin wafer from a workpiece (hereinafter referred to as a workpiece) such as a silicon ingot.
  • a workpiece such as a silicon ingot.
  • the workpiece is simultaneously cut at a plurality of positions by pressing the workpiece against the cutting wire while running the cutting wire wound spirally around the plurality of wire guides.
  • the cutting wire 102 is swung together with the wire guide (work roller) 101 while the cutting wire 102 is swung.
  • the processed shape of the workpiece W becomes substantially V-shaped.
  • the contact distance between the workpiece W and the cutting wire 102 becomes longer as the workpiece diameter increases in the future, so that the grinding force is reduced and the cutting speed is reduced, and the chip dischargeability is reduced. It becomes worse and processing accuracy deteriorates.
  • the swing angle of the cutting wire 102 is increased, the cutting wire 102 is bent due to a decrease in the grinding force.
  • the deflection of the cutting wire 102 may be increased, resulting in disconnection. There is.
  • an object of the present disclosure is to increase the cutting speed of a workpiece while reducing the disconnection rate of a cutting wire in a cutting process using a swing type wire saw device. .
  • a wire saw device travels a cutting wire spirally wound around a plurality of wire guides and simultaneously swings the cutting wire together with the wire guide,
  • a wire saw device that performs a cutting process on a workpiece by pressing the workpiece against the cutting wire, and holds the workpiece such that the workpiece has an arc-shaped machining shape.
  • Control means for controlling the position of the holding means to be controlled according to the swing angle of the cutting wire is provided.
  • the swing angle of the cutting wire is ⁇
  • the maximum cutting length of the workpiece is L
  • the radius of the arcuate processing shape is A, A ⁇ L / (2 ⁇ sin ⁇ )
  • the radius of the arc-shaped machining shape may be reduced, or immediately after the start of the cutting process on the workpiece.
  • the cutting wire may not be swung. In this way, it is possible to efficiently cut a workpiece having a small cutting length immediately after the start of the cutting process, for example, a cylindrical workpiece.
  • the swing angle of the cutting wire is ⁇
  • the radius of the wire guide is r
  • the radius of the arcuate shape is A
  • the reference position of the holding means is P0
  • the cutting wire is a fixed abrasive wire
  • a workpiece made of a difficult-to-cut material such as sapphire or silicon carbide (SiC) can be cut.
  • the cutting method according to the present disclosure allows the cutting wire wound around the cutting wire while causing the cutting wire spirally wound around a plurality of wire guides to run and simultaneously swinging the cutting wire together with the wire guide.
  • a cutting method for pressing a workpiece to cut the workpiece, the position of a holding means for holding the workpiece so that the workpiece has an arcuate shape Is controlled according to the swing angle of the cutting wire.
  • the position of the holding means for holding the workpiece is controlled according to the swing angle of the cutting wire so that the workpiece has an arc-shaped machining shape.
  • the position of the holding means for holding the workpiece is controlled so that the extending direction of the swinging cutting wire is always the tangential direction of the arc that is the machining shape of the workpiece. Therefore, cutting can be performed while making point contact between the cutting wire and the workpiece, that is, while minimizing the contact distance between the cutting wire and the workpiece, thereby increasing the grinding force.
  • the cutting speed can be increased and the chip dischargeability can be improved to improve the processing accuracy.
  • the bending of the cutting wire can be reduced regardless of the swing angle of the cutting wire.
  • the disconnection rate of the wire can be reduced.
  • the cutting wire when the cutting wire is a fixed abrasive wire, a workpiece made of a difficult-to-cut material such as sapphire or silicon carbide (SiC) can be cut.
  • a difficult-to-cut material such as sapphire or silicon carbide (SiC)
  • the wire saw device of the present disclosure it is possible to increase the cutting speed of the workpiece while reducing the disconnection rate of the cutting wire in the cutting process using the swing type wire saw device. Therefore, it is possible to improve the productivity by reducing the processing time while reducing the processing cost.
  • FIG. 1 is a figure showing the whole wire saw device composition concerning an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the workpiece movement axis X and the swing of the cutting wire in the cutting method according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the machining arc and the oscillation of the cutting wire in the cutting method according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a state in which the contact state between the cutting wire and the processing arc changes with a change in the swing angle in the cutting method according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the swing angle and the table position in the cutting method according to the embodiment.
  • FIG. 6A is a diagram showing a problem of the conventional wire saw device, and FIG. 6B is an enlarged view of the main part of FIG. 6A.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a wire saw device according to the present embodiment.
  • a wire saw device 1 shown in FIG. 1 is used to simultaneously cut a workpiece (hereinafter referred to as a workpiece W) such as a silicon ingot used for manufacturing a semiconductor device, a solar cell or the like into a thin wafer at a plurality of locations. Is done.
  • a workpiece W such as a silicon ingot used for manufacturing a semiconductor device, a solar cell or the like
  • the two wire guides 2 arranged in parallel are rotatably attached to the wire guide support part 4.
  • the rotation shaft of each wire guide 2 is connected to the output shaft of each wire guide drive motor 20, and each wire guide 2 rotates around its horizontal axis by the rotation drive of each wire guide drive motor 20.
  • the axis of the swing disk 91 (hereinafter also referred to as the swing center) is located at the midpoint on the line connecting the centers (rotary axes) of the wire guides 2.
  • the workpiece lifting / lowering motor 52 when the workpiece lifting / lowering motor 52 is rotationally driven while the cutting wire 3 is running, the workpiece holding member 51 is lowered by a ball screw mechanism (not shown) and the workpiece W is pressed against the cutting wire 3. Thereby, wafers are cut out simultaneously at a plurality of locations.
  • the feature of the present embodiment is that the control device 8 controls the position of the work holding member 51 according to the swing angle of the cutting wire 3 so that the processed shape of the work W becomes an arc shape.
  • the control device 8 controls the position of the work holding member 51 so that the extending direction of the swinging cutting wire 3 is always the tangential direction of the arc that is the processed shape of the work W.
  • the cutting process can be performed while the cutting wire 3 and the workpiece W are in point contact, the deflection of the cutting wire 3 can be suppressed to a small value regardless of the swing angle of the cutting wire 3.
  • the disconnection rate of the cutting wire 3 can be reduced.
  • the position of the work holding member 51 by the control device 8 will be described by taking as an example the case where the axis (swing center) of the swing disk 91 is located at the midpoint on the line connecting the centers (rotation axes) of the wire guides 2.
  • the control will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 2 is a view showing a relationship between a line connecting the swing center and the center of the workpiece W (work holding member 51) (hereinafter referred to as a workpiece moving axis X) and swing of the cutting wire 3.
  • the radius of the wire guide 2 is r
  • the swing angle of the cutting wire 3 (in this embodiment, the angle between the lines connecting the centers (rotating shafts) of the wire guides 2 and the horizontal direction is the same) is ⁇ .
  • P is the reference position of the workpiece holding member 51
  • P is the control position of the workpiece holding member 51 obtained by adding a deviation amount to the reference position P0 so that the workpiece W has an arcuate shape.
  • the reference position P0 is set with a machining time t.
  • P0 V0 ⁇ t.
  • the reference position P0, the control position P, and the speed V0 each have a downward direction as a positive direction.
  • FIG. 4 shows a case where the wire guide 2 has a radius r of 111 mm and a machining arc radius A of 1000 mm, and the position of the work holding member 51 of this embodiment is controlled, and the cutting wire is changed in accordance with the change of the swing angle ⁇ .
  • 3 schematically shows how the contact state between 3 and the machining arc changes.
  • the maximum value of the swing angle ⁇ is 10 °, for example, the arc angle (the angle formed by the workpiece movement axis X and the normal direction of the cutting wire 3) exceeds 10 °.
  • the cutting wire 3 and the workpiece W are in line contact.
  • the maximum cutting length of the workpiece W (in this embodiment, the method of the workpiece moving axis X is used).
  • a ⁇ L / (2 ⁇ sin ⁇ ) needs to be established, where L is the maximum dimension of the workpiece W in the linear direction.
  • FIG. 5 shows the swing angle ⁇ and the position of the work holding member 51 when the position control of the work holding member 51 of this embodiment is performed with the radius r of the wire guide 2 being 111 mm and the machining arc radius A being 1000 mm.
  • an example of the time change of the table position is shown.
  • the time change of the table position when the position control of the work holding member 51 of the present embodiment is not performed is also shown.
  • the table position changes monotonously (that is, the work holding member 51 is lowered at a constant speed), but in this embodiment, the swing angle ⁇ Accordingly, fine table position control (that is, raising and lowering of the work holding member 51) is performed.
  • the warpage accuracy and the surface roughness were improved by about 60% and 30%, respectively, in the wafer obtained by the cutting process of the present embodiment.
  • the disconnection rate of the cutting wire 3 was reduced by about 30%.
  • the shape of the work W to which the present invention can be applied (the shape before processing) is not particularly limited, and the present invention can be widely applied to the work W having various shapes such as a columnar shape and a rectangular parallelepiped shape. is there.
  • a workpiece having a small cutting length of the workpiece W in this embodiment, the dimension of the workpiece W in the normal direction of the workpiece movement axis X) immediately after the start of cutting, for example, a cylindrical workpiece is efficiently cut. Therefore, the machining arc radius A may be reduced as the cutting process on the workpiece W proceeds.
  • the cutting wire may not be swung.
  • the wire saw device of the present disclosure is suitable for a wire saw device and a cutting method for cutting a workpiece such as a silicon ingot, for example.

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Abstract

　ワイヤソー装置１は、複数のワイヤガイド２に螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤ３を走行させると同時にワイヤガイド２と共に切断用ワイヤ３を揺動させながら、切断用ワイヤ３に被加工物Ｗを押し当てて切断加工を行う。ワイヤソー装置１は、被加工物Ｗが円弧状の加工形状を持つように、被加工物Ｗを保持する保持手段５１の位置を切断用ワイヤ３の揺動角度に応じて制御する制御手段８を備えている。

Description

ワイヤソー装置及び切断加工方法
　本開示は、例えばシリコンインゴット等の被加工物を切断するワイヤソー装置及び切断加工方法に関する。
　従来より、一般的に、シリコンインゴット等の被加工物（以下、ワークと称する）から薄板状のウェーハを切り出す手段としてワイヤソー装置が用いられている。ワイヤソー装置においては、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させながら、切断用ワイヤにワークを押し当てることによって、複数箇所でワークを同時に切断している。
　また、例えば、特許文献１に開示されているワイヤソー装置においては、ワイヤガイド（ワークローラ）によって切断用ワイヤを走行させると同時にワイヤガイドと共に切断用ワイヤを揺動させながら、ワークに対して切断加工を行っている。このようにすると、切断用ワイヤを揺動させない場合と比較して、ワークと切断用ワイヤとの接触距離が短くなるため、研削力を増大させて切断速度を増大させることができると共に切り粉の排出性を向上させて加工精度を向上させることができる。
特開平０１－１７１７５３号公報
　しかしながら、特許文献１に開示されているワイヤソー装置においては、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ワイヤガイド（ワークローラ）１０１と共に切断用ワイヤ１０２を揺動させながら、切断用ワイヤ１０２にワークＷを押し当てていくと、ワークＷの加工形状は略Ｖ字になる。その結果、今後のワークの大口径化に伴って、ワークＷと切断用ワイヤ１０２との接触距離が長くなるので、研削力が低下して切断速度が低下してしまうと共に切り粉の排出性が悪くなって加工精度が劣化してしまう。また、切断用ワイヤ１０２の揺動角度が大きくなったときに、研削力の低下に起因して切断用ワイヤ１０２にたわみが生じてしまう。特に、ワークＷを保持するテーブル等の保持部材の移動速度を上げることによってワークＷの切断速度を大きくしようとした場合には、切断用ワイヤ１０２のたわみがより大きくなって断線が生じてしまうおそれがある。
　前記に鑑み、本開示の課題は、揺動型のワイヤソー装置を用いた切断加工において、切断用ワイヤの断線率を低下させつつ、ワークの切断速度を増大させることができるようにすることである。
　前記の課題を解決するために、本開示に係るワイヤソー装置は、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させると同時に前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、前記被加工物が円弧状の加工形状を持つように、前記被加工物を保持する保持手段の位置を前記切断用ワイヤの揺動角度に応じて制御する制御手段を備えている。
　本開示に係るワイヤソー装置によると、被加工物が円弧状の加工形状を持つように、被加工物を保持する保持手段の位置を切断用ワイヤの揺動角度に応じて制御する。言い換えると、揺動する切断用ワイヤの延びる方向が常に被加工物の加工形状である円弧の接線方向となるように、被加工物を保持する保持手段の位置を制御する。このため、切断用ワイヤと被加工物とを点接触させながら、つまり、切断用ワイヤと被加工物との接触距離を最小化しながら、切断加工を行うことができるので、研削力を増大させて切断速度を増大させることができると共に切り粉の排出性を向上させて加工精度を向上させることができる。また、切断用ワイヤと被加工物とを点接触させながら切断加工を行うことができるため、切断用ワイヤの揺動角度によらず切断用ワイヤのたわみを小さく抑制することができるので、切断用ワイヤの断線率を低下させることができる。
　本開示に係るワイヤソー装置において、前記切断用ワイヤは、前記円弧状の加工形状を持つ前記被加工物と点接触しながら揺動すると、前述の効果を確実に得ることができる。
　本開示に係るワイヤソー装置において、前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記被加工物の最大切断長をＬ、前記円弧状の加工形状の半径をＡとして、Ａ≧Ｌ／（２×ｓｉｎθ）であると、切断用ワイヤの揺動角度が大きくなった場合にも、切断用ワイヤと被加工物とが線接触することを防止することができる。
　本開示に係るワイヤソー装置において、前記被加工物に対する切断加工が進むに従って、前記円弧状の加工形状の半径を小さくしていってもよいし、又は、前記被加工物に対する切断加工の開始直後は、前記切断用ワイヤを揺動させなくてもよい。このようにすると、切断加工の開始直後における被加工物の切断長が小さい被加工物、例えば円柱状の被加工物を効率よく切断することができる。
　本開示に係るワイヤソー装置において、前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記ワイヤガイドの半径をｒ、前記円弧状の加工形状の半径をＡ、前記保持手段の基準位置をＰ０、前記保持手段の制御位置をＰとして、Ｐ＝Ｐ０－（（ｒ＋Ａ）／ｃｏｓθ－（ｒ＋Ａ））であると、各ワイヤガイド中心を結ぶ線上の中点に揺動中心が位置する場合に、前述の効果を確実に得ることができる。
　本開示に係るワイヤソー装置において、前記切断用ワイヤは固定砥粒ワイヤであると、例えばサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の難削材からなる被加工物の切断を行うことができる。
　また、本開示に係る切断加工方法は、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させると同時に前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行う切断加工方法であって、前記被加工物が円弧状の加工形状を持つように、前記被加工物を保持する保持手段の位置を前記切断用ワイヤの揺動角度に応じて制御する。
　本開示に係る切断加工方法によると、被加工物が円弧状の加工形状を持つように、被加工物を保持する保持手段の位置を切断用ワイヤの揺動角度に応じて制御する。言い換えると、揺動する切断用ワイヤの延びる方向が常に被加工物の加工形状である円弧の接線方向となるように、被加工物を保持する保持手段の位置を制御する。このため、切断用ワイヤと被加工物とを点接触させながら、つまり、切断用ワイヤと被加工物との接触距離を最小化しながら、切断加工を行うことができるので、研削力を増大させて切断速度を増大させることができると共に切り粉の排出性を向上させて加工精度を向上させることができる。また、切断用ワイヤと被加工物とを点接触させながら切断加工を行うことができるため、切断用ワイヤの揺動角度によらず切断用ワイヤのたわみを小さく抑制することができるので、切断用ワイヤの断線率を低下させることができる。
　本開示に係る切断加工方法において、前記切断用ワイヤは、前記円弧状の加工形状を持つ前記被加工物と点接触しながら揺動すると、前述の効果を確実に得ることができる。
　本開示に係る切断加工方法において、前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記被加工物の最大切断長をＬ、前記円弧状の加工形状の半径をＡとして、Ａ≧Ｌ／（２×ｓｉｎθ）であると、切断用ワイヤの揺動角度が大きくなった場合にも、切断用ワイヤと被加工物とが線接触することを防止することができる。
　本開示に係る切断加工方法において、前記被加工物に対する切断加工が進むに従って、前記円弧状の加工形状の半径を小さくしていってもよいし、又は、前記被加工物に対する切断加工の開始直後は、前記切断用ワイヤを揺動させなくてもよい。このようにすると、切断加工の開始直後における被加工物の切断長が小さい被加工物、例えば円柱状の被加工物を効率よく切断することができる。
　本開示に係る切断加工方法において、前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記ワイヤガイドの半径をｒ、前記円弧状の加工形状の半径をＡ、前記保持手段の基準位置をＰ０、前記保持手段の制御位置をＰとして、Ｐ＝Ｐ０－（（ｒ＋Ａ）／ｃｏｓθ－（ｒ＋Ａ））であると、各ワイヤガイド中心を結ぶ線上の中点に揺動中心が位置する場合に、前述の効果を確実に得ることができる。
　本開示に係る切断加工方法において、前記切断用ワイヤは固定砥粒ワイヤであると、例えばサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の難削材からなる被加工物の切断を行うことができる。
　本開示のワイヤソー装置によると、揺動型のワイヤソー装置を用いた切断加工において、切断用ワイヤの断線率を低下させつつ、ワークの切断速度を増大させることができる。従って、加工コストを低減しつつ、加工時間を短縮して生産性を向上させることができる。
図１は、実施形態に係るワイヤソー装置の全体構成を示す図である。 図２は、実施形態に係る切断加工方法におけるワーク移動軸Ｘと切断用ワイヤの揺動との関係を示す図である。 図３は、実施形態に係る切断加工方法における加工円弧と切断用ワイヤの揺動との関係を示す図である。 図４は、実施形態に係る切断加工方法において揺動角度の変化に伴って切断用ワイヤと加工円弧との接触状態が変化する様子を模式的に示す図である。 図５は、実施形態に係る切断加工方法における揺動角度及びテーブル位置の時間変化の一例を示す図である。 図６（ａ）は、従来のワイヤソー装置の問題点を示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の要部を拡大して示す図である。
　以下、一実施形態に係るワイヤソー装置及び切断加工方法について、図面を参照ながら説明する。
　図１は、本実施形態に係るワイヤソー装置の全体構成を示す図である。図１に示すワイヤソー装置１は、例えば半導体装置や太陽電池等の製造に用いられるシリコンインゴット等の被加工物（以下、ワークＷと称する）を複数箇所で同時に薄板状ウェーハに切断するために使用される。
　図１に示すように、ワイヤソー装置１は、貫通孔１２が形成された側壁プレート１０を備えており、当該側壁プレート１０の貫通孔１２には、回転軸心が水平方向に延びる揺動円板９１が回動自在に取り付けられている。揺動円板９１における側壁プレート１０の正面側には、上方が開放され且つ側面視で略コ字状の形状を持つワイヤガイド支持部４が取り付けられている。揺動円板９１における側壁プレート１０の背面側には、サーボモータ制御され且つ回転軸心が水平方向に延びる２つのワイヤガイド駆動モータ２０が取り付けられている。側壁プレート１０の背面におけるワイヤガイド駆動モータ２０の側方には、揺動円板９１を揺動駆動させる揺動駆動モータ９２が取り付けられている。揺動駆動モータ９２は、図示していないタイミングベルト等を通じて、回転力を揺動円板９１に伝達し、揺動円板９１をその軸心周りに所定の角度範囲で揺動させる。
　ワイヤガイド支持部４には、並列配置された２つのワイヤガイド２が回転自在に取り付けられている。各ワイヤガイド２の回転軸は、各ワイヤガイド駆動モータ２０の出力軸に連結されており、各ワイヤガイド駆動モータ２０の回転駆動により、各ワイヤガイド２はその水平軸心周りに回転する。尚、揺動円板９１の軸心（以下、揺動中心と称することもある）は、各ワイヤガイド２の中心（回転軸）を結ぶ線上の中点に位置している。
　各ワイヤガイド２には、ワークＷを切断するための１本のワイヤ（以下、切断用ワイヤ３と称する）が各ワイヤガイド２の水平軸心方向に所定のピッチで螺旋状に巻き付けられている。切断用ワイヤ３の一端側は、一方のワイヤガイド２の外側に位置しており、複数の円盤状プーリＰに案内されながらワイヤ供給装置６まで延びている。ワイヤ供給装置６は、切断用ワイヤ３の新線部分が巻装された供給側ボビン６１と、当該供給側ボビン６１を回転駆動させるアシストモータ６２とを備えており、これにより、切断用ワイヤ３をワイヤガイド２へ送り出している。切断用ワイヤ３の他端側は、他方のワイヤガイド２の外側に位置しており、複数の円盤状プーリＰに案内されながらワイヤ巻取装置７まで延びている。ワイヤ巻取装置７は、ワイヤガイド２から送り出される切断用ワイヤ３を巻き取る巻取側ボビン７１と、当該巻取側ボビン７１を回転駆動させるアシストモータ７２とを備えている。尚、切断用ワイヤ３の張力を制御するために、各ワイヤガイド２の外側に配置されている円盤状プーリＰの１つにテンションアーム１１が取り付けられている。
　本実施形態のワイヤソー装置１においては、ワイヤガイド駆動モータ２０並びにアシストモータ６２及び７２の回転駆動により、切断用ワイヤ３に対して、前述の送り出しと、当該送り出し長さよりも所定長さだけ小さい巻き取りとを交互に繰り返し行う。これにより、切断用ワイヤ３の新線部分がワイヤ供給装置６側から順次繰り出され、ワイヤ巻取装置７側へ送り出される。
　各ワイヤガイド２の中心（回転軸）を結ぶ線上の中点（つまり揺動中心）の上方には、各ワイヤガイド２に巻き付けられた切断用ワイヤ３と対向するように略直方体状のワーク保持部材５１が配設されている。ワーク保持部材５１の下端にはワークＷが保持される一方、ワーク保持部材５１の上端には、サーボモータ制御されるワーク昇降モータ５２が取り付けられている。
　本実施形態においては、切断用ワイヤ３を走行させている状態でワーク昇降モータ５２を回転駆動すると、図示していないボールネジ機構によってワーク保持部材５１が下降してワークＷが切断用ワイヤ３に押し付けられ、それにより、複数箇所でウェーハが同時に切り出される。
　また、図１に示すように、ワイヤガイド駆動モータ２０、ワーク昇降モータ５２、アシストモータ６２及び７２並びに揺動駆動モータ９２には、これらのモータを制御する制御装置８が接続されている。制御装置８は、図示していないが、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び制御プログラムが格納されたメモリ等を備えている。制御装置８は、切断用ワイヤ３の送り出し及び巻き取りを交互に繰り返しながら切断用ワイヤ３の新線部分が順次繰り出されるように、ワイヤガイド駆動モータ２０並びにアシストモータ６２及び７２を制御している。また、制御装置８は、ワーク保持部材５１が昇降するようにワーク昇降モータ５２を制御していると共に、各ワイヤガイド２と共に切断用ワイヤ３が揺動するように揺動駆動モータ９２を制御している。
　本実施形態の特徴は、制御装置８が、ワークＷの加工形状が円弧状になるように、ワーク保持部材５１の位置を切断用ワイヤ３の揺動角度に応じて制御することである。言い換えると、制御装置８は、揺動する切断用ワイヤ３の延びる方向が常にワークＷの加工形状である円弧の接線方向となるように、ワーク保持部材５１の位置を制御する。これにより、切断用ワイヤ３とワークＷとを点接触させながら、つまり、切断用ワイヤ３とワークＷとの接触距離を最小化しながら、切断加工を行うことができるので、研削力を増大させて切断速度を増大させることができると共に切り粉の排出性を向上させて加工精度を向上させることができる。また、切断用ワイヤ３とワークＷとを点接触させながら切断加工を行うことができるため、切断用ワイヤ３の揺動角度によらず切断用ワイヤ３のたわみを小さく抑制することができるので、切断用ワイヤ３の断線率を低下させることができる。
　従って、本実施形態によると、揺動型のワイヤソー装置を用いた切断加工において、加工コストを低減しつつ、加工時間を短縮して生産性を向上させることができる。
　以下、各ワイヤガイド２の中心（回転軸）を結ぶ線上の中点に揺動円板９１の軸心（揺動中心）が位置する場合を例として、制御装置８によるワーク保持部材５１の位置制御について、図２～図５を参照しながら説明する。
　図２は、揺動中心とワークＷ（ワーク保持部材５１）の中央とを結ぶ線（以下、ワーク移動軸Ｘという）と、切断用ワイヤ３の揺動との関係を示す図である。ここで、ワイヤガイド２の半径をｒ、切断用ワイヤ３の揺動角度（本実施形態では各ワイヤガイド２の中心（回転軸）を結ぶ線が水平方向となす角度：以下同じ）をθとすると、図２に示すように、ワーク移動軸Ｘと切断用ワイヤ３とが交差する点の位置Ｃ１は、揺動角度θ＝０°のときの位置を基準（０）として、Ｃ１＝（ｒ／ｃｏｓθ）－ｒと表される。
　図３は、ワークＷの加工形状である円弧（以下、加工円弧という）と、切断用ワイヤ３の揺動との関係を示す図である。ここで、加工円弧の半径をＡとすると、図３に示すように、加工円弧と切断用ワイヤ３とが点接触する位置（ワーク移動軸Ｘ方向の位置）Ｃ２は、揺動角度θ＝０°のときの位置を基準（０）として、Ｃ２＝（Ａ／ｃｏｓθ）－Ａと表される。
　従って、ワーク保持部材５１の基準位置をＰ０、ワークＷが円弧状の加工形状を持つように基準位置Ｐ０に偏差量を加えたワーク保持部材５１の制御位置をＰとして、
　Ｐ＝Ｐ０－Ｃ１－Ｃ２
　　＝Ｐ０－（（ｒ／ｃｏｓθ）－ｒ）－（（Ａ／ｃｏｓθ）－Ａ））
　　＝Ｐ０－（（ｒ＋Ａ）／ｃｏｓθ－（ｒ＋Ａ））
と表すことができる。ここで、本実施形態のワーク保持部材５１の位置制御を行わないとした場合にワーク保持部材５１が例えば一定の速度Ｖ０で下降しているとすると、基準位置Ｐ０は、加工時間をｔとして、Ｐ０＝Ｖ０×ｔと表される。尚、図１に示すワイヤソー装置１の場合、基準位置Ｐ０、制御位置Ｐ及び速度Ｖ０はそれぞれ、下方向を正方向とする。
　図４は、ワイヤガイド２の半径ｒを１１１ｍｍ、加工円弧半径Ａを１０００ｍｍとして、本実施形態のワーク保持部材５１の位置制御を行った場合において、揺動角度θの変化に伴って切断用ワイヤ３と加工円弧との接触状態が変化する様子を模式的に示している。図４に示すように、揺動角度θの最大値が例えば１０°である場合に、円弧角度（ワーク移動軸Ｘと切断用ワイヤ３の法線方向とがなす角度）が１０°を超えてしまうと、切断用ワイヤ３とワークＷとは線接触してしまう。従って、揺動角度θが大きくなった場合にも、切断用ワイヤ３とワークＷとが点接触する状態を保つためには、ワークＷの最大切断長（本実施形態ではワーク移動軸Ｘの法線方向におけるワークＷの最大寸法）をＬとして、加工円弧半径Ａについて、Ａ≧Ｌ／（２×ｓｉｎθ）が成り立つ必要がある。
　図５は、ワイヤガイド２の半径ｒを１１１ｍｍ、加工円弧半径Ａを１０００ｍｍとして、本実施形態のワーク保持部材５１の位置制御を行った場合における、揺動角度θ及びワーク保持部材５１の位置（図中ではテーブル位置）の時間変化の一例を示している。尚、図５においては、比較例として、本実施形態のワーク保持部材５１の位置制御を行わなかった場合におけるテーブル位置の時間変化も示している。図５に示すように、比較例では、テーブル位置が単調に変化している（つまりワーク保持部材５１は一定の速度で下降している）のに対して、本実施形態では、揺動角度θに応じて細かなテーブル位置制御（つまりワーク保持部材５１の昇降）が行われている。比較例の切断加工により得られたウェーハと比較すると、本実施形態の切断加工により得られたウェーハにおいては、反り精度及び表面粗さがそれぞれ６０％程度及び３０％程度改善された。また、比較例の切断加工と比較すると、本実施形態の切断加工においては、切断用ワイヤ３の断線率が３０％程度低下した。
　尚、本発明が適用可能なワイヤソー装置は、図１に示すワイヤソー装置１に限られるものではなく、複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させると同時にワイヤガイドと共に切断用ワイヤを揺動させながら、切断用ワイヤに被加工物を押し当てて切断加工を行うタイプのワイヤソー装置に本発明は広く適用可能である。例えば、図１に示すワイヤソー装置１には２つのワイヤガイド２が取り付けられていたが、３つ以上のワイヤガイドを備えたワイヤソー装置にも本発明は適用可能である。また、図１に示すワイヤソー装置１において、切断用ワイヤに砥粒を含むスラリーを供給しながら切断加工を行ってもよい。
　また、図１に示すワイヤソー装置１においては、揺動円板９１の軸心（揺動中心）を、各ワイヤガイド２の中心（回転軸）を結ぶ線上の中点に位置させたが、揺動中心の配置位置は特に限定されるものではなく、例えば、ワーク移動軸Ｘ上の任意の点に揺動中心を位置させてもよい。但し、揺動中心の配置位置に応じて、ワーク保持部材５１の制御位置Ｐの算出式を変える必要がある。また、本実施形態では、ワーク保持部材５１が一定の速度で下降している場合を想定してワーク保持部材５１の基準位置Ｐ０を設定したが、基準位置Ｐ０の設定方法は特に限定されるものではなく、例えば、ワークＷの切断加工の進み具合に応じてワーク保持部材５１の速度が段階的に変化している場合を想定して基準位置Ｐ０を設定してもよい。
　また、本発明が適用可能なワークＷの形状（加工前の形状）も特に限定されるものではなく、例えば円柱状や直方体状等の様々な形状を持つワークＷに本発明は広く適用可能である。ここで、切断加工の開始直後におけるワークＷの切断長（本実施形態ではワーク移動軸Ｘの法線方向におけるワークＷの寸法）が小さい被加工物、例えば円柱状の被加工物を効率よく切断するために、ワークＷに対する切断加工が進むに従って、加工円弧半径Ａを小さくしていってもよい。或いは、ワークＷに対する切断加工の開始直後は、切断用ワ
イヤを揺動させなくてもよい。また、ワークＷの材質もシリコン等に特に限定されるものではないが、ワークＷが例えばサファイアや炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の難削材からなる場合には、切断用ワイヤとして固定砥粒ワイヤを用いることが好ましい。切断用ワイヤとして固定砥粒ワイヤを用いる場合、砥粒を含むスラリーに代えて、冷却用の水等を供給しながら切断加工を行ってもよい。
　本開示のワイヤソー装置は、例えばシリコンインゴット等の被加工物を切断するワイヤソー装置及び切断加工方法に好適である。
　　１　　ワイヤソー装置
　　２　　ワイヤガイド
　　３　　切断用ワイヤ
　　４　　ワイヤガイド支持部
　　６　　ワイヤ供給装置
　　７　　ワイヤ巻取装置
　　８　　制御装置
　１０　　側壁プレート
　１１　　テンションアーム
　１２　　貫通孔
　２０　　ワイヤガイド駆動モータ
　５１　　ワーク保持部
　５２　　ワーク昇降モータ
　６１　　供給側ボビン
　６２　　アシストモータ
　７１　　巻取側ボビン
　７２　　アシストモータ
　９１　　揺動円板
　９２　　揺動駆動モータ
　　Ｐ　　プーリ
　　Ｗ　　ワーク

Claims (14)

  1. 　複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させると同時に前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行うワイヤソー装置であって、
    　前記被加工物が円弧状の加工形状を持つように、前記被加工物を保持する保持手段の位置を前記切断用ワイヤの揺動角度に応じて制御する制御手段を備えていることを特徴とするワイヤソー装置。
  2. 　請求項１に記載のワイヤソー装置において、
    　前記切断用ワイヤは、前記円弧状の加工形状を持つ前記被加工物と点接触しながら揺動することを特徴とするワイヤソー装置。
  3. 　請求項１又は２に記載のワイヤソー装置において、
    　前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記被加工物の最大切断長をＬ、前記円弧状の加工形状の半径をＡとして、
    　Ａ≧Ｌ／（２×ｓｉｎθ）
    であることを特徴とするワイヤソー装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載のワイヤソー装置において、
    　前記被加工物に対する切断加工が進むに従って、前記円弧状の加工形状の半径を小さくしていくことを特徴とするワイヤソー装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のワイヤソー装置において、
    　前記被加工物に対する切断加工の開始直後は、前記切断用ワイヤを揺動させないことを特徴とするワイヤソー装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載のワイヤソー装置において、
    　前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記ワイヤガイドの半径をｒ、前記円弧状の加工形状の半径をＡ、前記保持手段の基準位置をＰ０、前記保持手段の制御位置をＰとして、
    　Ｐ＝Ｐ０－（（ｒ＋Ａ）／ｃｏｓθ－（ｒ＋Ａ））
    であることを特徴とするワイヤソー装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載のワイヤソー装置において、
    　前記切断用ワイヤは固定砥粒ワイヤであることを特徴とするワイヤソー装置。
  8. 　複数のワイヤガイドに螺旋状に巻き付けられた切断用ワイヤを走行させると同時に前記ワイヤガイドと共に前記切断用ワイヤを揺動させながら、前記切断用ワイヤに被加工物を押し当てて前記被加工物に対して切断加工を行う切断加工方法であって、
    　前記被加工物が円弧状の加工形状を持つように、前記被加工物を保持する保持手段の位置を前記切断用ワイヤの揺動角度に応じて制御することを特徴とする切断加工方法。
  9. 　請求項８に記載の切断加工方法において、
    　前記切断用ワイヤは、前記円弧状の加工形状を持つ前記被加工物と点接触しながら揺動することを特徴とする切断加工方法。
  10. 　請求項８又は９に記載の切断加工方法において、
    　前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記被加工物の最大切断長をＬ、前記円弧状の加工形状の半径をＡとして、
    　Ａ≧Ｌ／（２×ｓｉｎθ）
    であることを特徴とする切断加工方法。
  11. 　請求項８～１０のいずれか１項に記載の切断加工方法において、
    　前記被加工物に対する切断加工が進むに従って、前記円弧状の加工形状の半径を小さくしていくことを特徴とする切断加工方法。
  12. 　請求項８～１１のいずれか１項に記載の切断加工方法において、
    　前記被加工物に対する切断加工の開始直後は、前記切断用ワイヤを揺動させないことを特徴とする切断加工方法。
  13. 　請求項８～１２のいずれか１項に記載の切断加工方法において、
    　前記切断用ワイヤの揺動角度をθ、前記ワイヤガイドの半径をｒ、前記円弧状の加工形状の半径をＡ、前記保持手段の基準位置をＰ０、前記保持手段の制御位置をＰとして、
    　Ｐ＝Ｐ０－（（ｒ＋Ａ）／ｃｏｓθ－（ｒ＋Ａ））
    であることを特徴とする切断加工方法。
  14. 　請求項８～１３のいずれか１項に記載の切断加工方法において、
    　前記切断用ワイヤは固定砥粒ワイヤであることを特徴とする切断加工方法。
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