JP6275551B2 - マルチワイヤ放電加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、マルチワイヤ放電加工装置に関する。

従来、円柱状インゴットからウエーハを切り出す場合等における切断手段として、砥粒を用いたワイヤーソーが知られている。このワイヤーソーでは、複数のガイドローラ間に巻回された切断用ワイヤをその長手方向に高速駆動しながら、そのワイヤに対してワークを切断送りすることにより、このワークから多数枚の薄片が同時に切り出される。切り出されたウエーハは、ワイヤーソーによって発生したスクラッチを研削して除去しつつ平坦化して、表面にデバイスを形成し半導体ウエーハとなる。

しかし、このようなワイヤーソーでは、ガイドローラ間に形成された複数本の切断ワイヤ部分に対し、加工用砥粒が混合された加工液（スラリー）を同時供給する必要があり、その取扱いは容易でない。また、ワイヤがワークに直接接触するため、切断中にワイヤが断線するおそれがあり、このような断線が生じた場合には復旧までに長時間を要する不都合がある。

そこで、マルチワイヤ放電加工装置が発案された（特許文献１）。放電加工によりワイヤとインゴットは接触していないため、インゴットにかかる負荷が非常に低く、スラリーによるスクラッチ等の傷の発生もないという効果がある。

特開２０００−９４２２１号公報

しかしながら、ワイヤとインゴットの間で発生する放電加工により、ワイヤは部分的に焼けて消失するので、局所的に放電が続くとワイヤが焼けて切断してしまう恐れがある。このため、ワイヤが切断しない程度にパルス数やパルス幅が調整され、それによって加工レートが制限されてしまっている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ワイヤの放電加工による劣化を抑え、ワイヤが断線し難くするマルチワイヤ放電加工装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明に係るマルチワイヤ放電加工装置は、間隔をおいて配設され、隣接して並列する第一のガイドローラと第二のガイドローラとを含む複数のガイドローラと、複数の前記ガイドローラに軸方向に間隔をあけて複数回巻き掛けられて互いに並列し、前記第一のガイドローラと前記第二のガイドローラとの間でインゴットを複数の切断片に切断するワイヤと、前記ガイドローラに巻回されるワイヤの巻回向きを反転させる反転ローラと、前記ワイヤを供給するワイヤ供給手段と、前記ワイヤを巻き取るワイヤ巻き取り手段と、前記ワイヤに高周波パルス電力を供給する高周波パルス電源と、インゴットを固定する基台部と、を備えるマルチワイヤ放電加工装置であって、前記第一のガイドローラは、軸方向前方で、右回りに回転する第一の回転ローラと、軸方向後方で、左回りに回転する第二の回転ローラと、を備え、前記第二のガイドローラは、軸方向前方で、右回りに回転する第三の回転ローラと、軸方向後方で、左回りに回転する第四の回転ローラと、を備え、前記ワイヤは、前記第一の回転ローラと前記第三の回転ローラとの間で右回りに巻回された後、前記反転ローラを経由して、前記第二の回転ローラと前記第四の回転ローラとの間で左回りに巻回され、右回りに巻回された前記ワイヤは周方向において一方の周面からインゴットに切り込み、左回りに巻回された前記ワイヤは他方の周面からインゴットに切り込むことで、前記ワイヤの２つの周面を放電加工に利用できることを特徴とするものである。

本発明のマルチワイヤ放電加工装置によれば、ワイヤの向きを途中で反転させる事で、ワイヤの周方向で対向する２方向の曲面を放電加工に利用することができるため、ワイヤの放電加工による劣化を抑え、断線し難くすることができるという効果を奏する。また、加工できる面が２面となるので、巻回数を増やす事も可能となり、加工後廃棄されるワイヤを無駄なく利用することができるという効果を奏する。

図１は、マルチワイヤ放電加工装置の構成例を示す斜視図である。 図２は、ガイドローラの構成例を示す正面図である。 図３は、反転ローラの機能例を示す上面図である。 図４は、ワイヤの使用例を示す模式図である。 図５は、マルチワイヤ放電加工装置の動作例を示すフローチャートである。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

〔実施形態〕
実施形態に係るマルチワイヤ放電加工装置について説明する。図１は、マルチワイヤ放電加工装置の構成例を示す斜視図である。図１に示すマルチワイヤ放電加工装置１は、ワイヤＲを繰り出して供給する繰り出しボビン２と、繰り出しボビン２により繰り出されたワイヤＲを６箇所で案内する円柱状のガイドローラ３０〜３５と、ワイヤＲを反転させる反転ローラ３６と、ワイヤＲを巻き取る巻き取りボビン４とを備える。繰り出しボビン２はワイヤ供給手段として機能し、巻き取りボビン４はワイヤ巻き取り手段として機能する。繰り出しボビン２には、放電加工に用いられる黄銅などの金属線であるワイヤＲが巻き回されている。６箇所のガイドローラ３０〜３５は所定の間隔をおいて配設される。

繰り出しボビン２から１本のワイヤＲを受け取るガイドローラ３０とワイヤＲを巻き取りボビン４に向けて送り出すガイドローラ３５とは隣接して配設されている。４箇所のガイドローラ３１〜３４は、上述のガイドローラ３０，３５と並べて配設されると共に、矩形の形状をなすようにそれぞれが矩形の角に配設される。隣接して並列するガイドローラ３１とガイドローラ３２で形成される線分と、隣接して並列するガイドローラ３４とガイドローラ３３で形成される線分は平行になるようにガイドローラ３１〜３４は配設されている。ガイドローラ３４は第一のガイドローラとして機能し、ガイドローラ３３は第二のガイドローラとして機能する。

ワイヤＲは、ガイドローラ３１〜３４に軸方向に間隔をあけて複数回巻き掛けられて互いに並列し、ガイドローラ３４とガイドローラ３３との間でインゴットＩを複数の切断片に切断する。

ガイドローラ３４の近傍には反転ローラ３６が配設されている。反転ローラ３６はワイヤＲが左回りに巻回され、ガイドローラ３１〜３４に巻回されるワイヤＲの巻回向きを反転させる。例えば、反転ローラ３６は、ガイドローラ３４から送り出されたワイヤＲを巻き回して当該ワイヤＲを反転させてガイドローラ３４に送り返す。

ガイドローラ３１〜３４は、繰り出しボビン２から繰り出されてガイドローラ３０から送り出されたワイヤＲを複数回巻き回して正転方向Ｕに送り出すと共に、反転ローラ３６により反転されたワイヤＲを複数回巻き回して逆転方向Ｖに送り出し、ガイドローラ３５を介してワイヤＲを巻き取りボビン４に送り出す。

繰り出しボビン２、ガイドローラ３０，３５、巻き取りボビン４、反転ローラ３６は、図示しない回転モーターによって回転駆動される。なお、必ずしもガイドローラ３０，３５をモーター駆動とする必要はなく空転するローラとしてもよい。

ガイドローラ３１〜３４の長手方向に間隔をあけて複数回巻回されたワイヤＲは、一対の隣接するガイドローラ３３とガイドローラ３４との間に形成された並列する切断ワイヤ部５を構成する。

切断ワイヤ部５は、ガイドローラ３３とガイドローラ３４で一定のテンションを有して張設され、所定の間隔でガイドローラ３３，３４の長手方向に配設された複数本のワイヤＲから構成されている。これらのワイヤＲは、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して直角（Ｙ軸方向）になるように張設されている。

切断ワイヤ部５に対向した位置には、インゴットＩを設置するインゴット設置手段６が設けられている。インゴットＩは、SiC（Silicon Carbide）単結晶である。インゴット設置手段６は切断ワイヤ部５の上面側に設置され、基台部６１と、支持部材６２とを備える。基台部６１は切断ワイヤ部５のワイヤＲに対面して配設され、円柱状のインゴットＩの長手方向及び短手方向の長さよりも若干大きく形成された直方体形状であり、支持部材６２を介してインゴットＩを固定する。基台部６１は、Ｘ軸方向に対して平行に延在される不図示のボールねじに係合され、パルスモータ等で構成される駆動源によって切断ワイヤ部５のワイヤＲの進行方向（Ｙ軸方向）に直角であるＸ軸方向に移動自在に取り付けられている。これにより、切断ワイヤ部５のワイヤＲによりインゴットＩの切断を開始する位置を調整できるようになる。また、基台部６１は、Ｚ軸方向に対して平行に延在される不図示のボールねじに係合され、パルスモータ等で構成される駆動源によって切断ワイヤ部５のワイヤＲに接近および離反するＺ軸方向に移動自在に取り付けられている。これにより、切断ワイヤ部５のワイヤＲによりインゴットＩを切断する切断方向への進行を調整できるようになる。なお、上記駆動源は、制御手段８に接続され、制御手段８によりパルスモーターの回転が制御される。

基台部６１の下面側には支持部材６２が固定されている。支持部材６２の下面側には導電性接着剤６３が塗布され、当該導電性接着剤６３を介してインゴットＩが支持部材６２に接着される。インゴットＩを切断ワイヤ部５のワイヤＲにより切断する場合、ワイヤＲがインゴットＩを通過して支持部材６２を若干切り込むようにしてインゴットＩを切断する。すなわち、インゴットＩと共に支持部材６２の一部も同時に切断する。これにより、インゴットＩを確実に切断することができる。

マルチワイヤ放電加工は、誘電体である水や油などの加工液の中で実施され、切断ワイヤ部５は加工液が満たされた加工槽９の中に浸漬される。加工槽９の中で、貯留された加工液に浸漬された切断ワイヤ部５のワイヤＲがインゴットＩを加工する。

加工槽９の中には、ウエーハＷを収容するための籠１０が配置されている。籠１０は、インゴット設置手段６の真下に配置され、インゴットＩの長手方向及び短手方向の長さよりも大きく形成され、一定の深さを有している。基台部６１に固定されたインゴットＩから分離されたウエーハＷは、加工槽９の中に配置された籠１０に沈下して収容される。

マルチワイヤ放電加工装置１は、切断ワイヤ部５に給電する給電手段７を備える。給電手段７は、給電子７１と、高周波パルス電源７２とを備える。給電子７１は、切断ワイヤ部５のワイヤＲに当接して配置されると共に、高周波パルス電源７２に接続されている。高周波パルス電源７２は、給電子７１を介して切断ワイヤ部５のワイヤＲに高周波パルス電力を供給する。高周波パルス電源７２は制御手段８に接続され、電力を供給する周波数等が制御される。

高周波パルス電源７２から高周波パルス電力を給電子７１に供給すると、給電子７１に当接された切断ワイヤ部５のワイヤＲは、正面に配置されたインゴットＩに対して放電を行う。例えば、加工液中で絶縁状態にあるインゴットＩとワイヤＲの間隔が数十ミクロン位まで近づくと、両者の絶縁が破壊されて放電が発生する。この放電によってインゴットＩが加熱されて溶融され、さらに加工液の温度が急激に上昇することにより加工液が気化し、体積膨張により溶融箇所を飛散させる。このように、高周波パルス電力を切断ワイヤ部５のワイヤＲに供給することで、インゴットＩを溶融すると共に飛散させる処理を断続的に行ってインゴットＩを切断する。

次に、ガイドローラ３１〜３４及び反転ローラ３６について詳細に説明する。図２は、ガイドローラの構成例を示す正面図である。図３は、反転ローラの機能例を示す上面図である。図４は、ワイヤの使用例を示す模式図である。図２に示すガイドローラ３４は軸方向前方で右回りに回転し、ワイヤＲを正転方向Ｕに送り出す正転ローラ３４ａと、軸方向後方で左回りに回転し、ワイヤＲを逆転方向Ｖに送り出す逆転ローラ３４ｂとを有している。正転ローラ３４ａは第一の回転ローラとして機能し、逆転ローラ３４ｂは第二の回転ローラとして機能する。正転ローラ３４ａ及び逆転ローラ３４ｂには、ワイヤＲが案内されるガイド溝Ｐが円周方向に一定の間隔をあけて５箇所に形成されている。正転ローラ３４ａは図示しない回転モーターによって正転方向Ｕに駆動される。例えば、回転モーターの回転軸と正転ローラ３４ａの回転軸３４ｃとがギヤにより噛合され、回転モーターの駆動により回転軸３４ｃに固定された正転ローラ３４ａが回転する。

逆転ローラ３４ｂは空転可能に配設されている。例えば、逆転ローラ３４ｂは、空転する際に支持軸３４ｄに対して摩擦抵抗を少なくするために、ベアリングなどの機構を採用することが考えられる。逆転ローラ３４ｂに形成されたガイド溝Ｐに巻回されたワイヤＲが引き出されることにより、引き出し量に応じて逆転ローラ３４ｂは逆転方向Ｖに空転する。

ガイドローラ３３は、ガイドローラ３４と同様に構成されている。例えば、ガイドローラ３３は軸方向前方で右回りに回転し、ワイヤＲを正転方向Ｕに送り出す正転ローラ３３ａと、軸方向後方で左回りに回転し、ワイヤＲを逆転方向Ｖに送り出す逆転ローラ３３ｂとを有している。正転ローラ３３ａは第三の回転ローラとして機能し、逆転ローラ３３ｂは第四の回転ローラとして機能する。正転ローラ３３ａは空転可能に配設され、逆転ローラ３３ｂは回転モーターにより駆動される。

ガイドローラ３１は、ガイドローラ３４と同様に構成されている。例えば、ガイドローラ３１は軸方向前方で右回りに回転し、ワイヤＲを正転方向Ｕに送り出す正転ローラ３１ａと、軸方向後方で左回りに回転し、ワイヤＲを逆転方向Ｖに送り出す逆転ローラ３１ｂとを有している。正転ローラ３１ａは空転し、逆転ローラ３１ｂは回転モーターにより駆動される。

ガイドローラ３２は、ガイドローラ３４と同様に構成されている。例えば、ガイドローラ３２は軸方向前方で右回りに回転し、ワイヤＲを正転方向Ｕに送り出す正転ローラ３２ａと、軸方向後方で左回りに回転し、ワイヤＲを逆転方向Ｖに送り出す逆転ローラ３２ｂとを有している。正転ローラ３２ａは回転モーターにより駆動され、逆転ローラ３２ｂは空転する。

図３に示すように、ワイヤＲは、ガイドローラ３４の正転ローラ３４ａとガイドローラ３３の正転ローラ３３ａとの間で右回りに巻回された後、反転ローラ３６を経由して、ガイドローラ３４の逆転ローラ３４ｂとガイドローラ３３の逆転ローラ３３ｂとの間で左回りに巻回される。例えば、ワイヤＲは、ガイドローラ３４の正転ローラ３４ａとガイドローラ３３の正転ローラ３３ａにそれぞれ形成されたガイド溝Ｐに合わせて複数回巻回され、正転ローラ３４ａの後端部３４ｅ側のガイド溝Ｐに巻回された後、反転ローラ３６に送り出されている。ワイヤＲは、反転ローラ３６で１周巻回されて逆転ローラ３４ｂの前端部３４ｆ側のガイド溝Ｐに巻回され、ガイドローラ３３の逆転ローラ３３ｂに送り出されている。

なお、ワイヤＲは、正転ローラ３１ａ〜３４ａの前端部側から後端部側に向けてガイド溝Ｐに沿って順次巻回される。例えば、図３に示すように、正転ローラ３４ａの前端部３４ｇ側から後端部３４ｅ側に向けてガイド溝Ｐに沿って順次巻回される。また、ワイヤＲは、逆転ローラ３１ｂ〜３４ｂの前端部側から後端部側に向けてガイド溝Ｐに沿って順次巻回される。例えば、図３に示すように、逆転ローラ３４ｂの前端部３４ｆ側から後端部３４ｈ側に向けてガイド溝Ｐに沿って順次巻回される。ガイドローラ３１の逆転ローラ３１ｂの後端部側に巻回されたワイヤＲは、巻き取りボビン４に巻き取られて回収される。このように、正転ローラ３１ａ〜３４ａの前端部側のガイド溝Ｐに巻回されたワイヤＲが最も劣化していないワイヤＲとなり、逆転ローラ３１ｂ〜３４ｂの後端部側のガイド溝Ｐに巻回されたワイヤＲが最も劣化しているワイヤＲとなる。

正転ローラ３４ａと正転ローラ３３ａによって右回りに巻回されたワイヤＲは、図４に示すように、周方向において一方の周面ｒ１からインゴットＩに切り込む。また、逆転ローラ３４ｂと逆転ローラ３３ｂによって左回りに巻回されたワイヤＲは、一方の周面ｒ１の裏側に位置する他方の周面ｒ２からインゴットＩに切り込むことで、ワイヤＲの２つの周面を放電加工に利用できる。このように、ワイヤＲは、放電により劣化した部分が反転されて、放電により劣化していない他方の周面ｒ２からインゴットＩに切り込むことができるようになる。これにより、ワイヤＲの放電を一方の周面ｒ１のみを使用して局所的に行わないので、ワイヤＲの劣化を抑えることができるようになる。

例えば、図４に示すワイヤＲ１〜Ｒ４は、正転ローラ３３ａと正転ローラ３４ａにより支持されているものであり、ワイヤＲ５〜Ｒ８は、逆転ローラ３３ｂと逆転ローラ３４ｂにより支持されているものである。ワイヤＲ１〜Ｒ４は、例えばワイヤＲ１の拡大図に示されるように劣化部Ｋが生成されていない。これに対して、ワイヤＲ５〜Ｒ８は反転ローラ３６により反転されたものであるので、例えばワイヤＲ７の拡大図に示されるように、放電による劣化部Ｋが一方の周面ｒ１に生成されている。しかしながら、反転されたワイヤＲ５〜Ｒ８は、放電加工に使用している他方の周面ｒ２には劣化部Ｋが生成されていないので、ワイヤＲ１〜Ｒ４と同等の精度で放電加工処理ができる。このように、ワイヤＲの周方向で対向する２方向の曲面を放電加工に利用することができるので、ワイヤＲの放電加工による劣化を抑え、断線し難くすることができる。なお、図４に示すワイヤＲ１〜Ｒ８は、放電によってインゴットＩを加熱し溶融し、さらに加工液の温度を急激に上昇させることにより加工液を気化し、体積膨張による気泡Ｂによって溶融箇所を飛散させている。

本発明では、ワイヤＲが正転ローラ３４ａ（第一の回転ローラ）と正転ローラ３３ａ（第三の回転ローラ）との間で右回りに巻回された後、反転ローラ３６を経由して、逆転ローラ３４ｂ（第二の回転ローラ）と逆転ローラ３３ｂ（第四の回転ローラ）との間で左回りに巻回されるとは、正転ローラ３４ａと正転ローラ３３ａとの間で一方の方向に巻回された後、反転ローラ３６によりワイヤＲの巻回方向が変更され、逆転ローラ３４ｂと逆転ローラ３３ｂとの間で他方の方向に巻回されることを意味するものであり、ワイヤＲの巻回方向が、正転ローラ３３ａ，３４ａが右回りで、逆転ローラ３３ｂ，３４ｂが左回りに限定されるものではない。

次に、マルチワイヤ放電加工装置１の動作例について説明する。図５は、マルチワイヤ放電加工装置の動作例を示すフローチャートである。図５に示すステップＳＴ１で、インゴットＩの位置合わせを行う。例えば、インゴットＩを基台部６１に固定後、制御手段８により、切断ワイヤ部５のワイヤＲに対してインゴットＩが切断される位置に設定されるように基台部６１をＸ軸方向に移動させる。次に、ステップＳＴ２に移行する。

ステップＳＴ２で、インゴットＩを切断する。例えば、正転ローラ３３ａと正転ローラ３４ａで張設された４本のワイヤＲの一方の周面ｒ１がインゴットＩに対面し、逆転ローラ３３ｂと逆転ローラ３４ｂで張設された４本のワイヤＲの他方の周面ｒ２がインゴットＩに対面した状態で、インゴットＩが固定された基台部６１をＺ軸方向（接近方向）へ移動させる。これにより、インゴットＩは、ワイヤＲの放電によって加熱されて溶融され、さらに加工液の温度が急激に上昇することにより加工液が気化し、体積膨張により溶融箇所が飛散される。このように、インゴットＩは、ワイヤＲによって溶融されると共に飛散される処理を断続的に行われて切断され、ウエーハＷが形成される。ウエーハＷの厚み方向（Ｘ軸方向）に基台部６１を移動させてウエーハＷを支持部材６２から切り離し、ウエーハＷを籠１０の中に沈下させる。ウエーハＷが籠１０の中に沈下された後、基台部６１をＺ軸方向（離反方向）へ移動させて、ワイヤＲを基台部６１から離反させる。なお、マルチワイヤ放電加工を実施している間は、繰り出しボビン２から常に一定量、新しいワイヤＲが繰り出されている。

以上のように、実施形態に係るマルチワイヤ放電加工装置１によれば、ワイヤＲの向きを途中で反転させる事で、ワイヤＲの周方向で対向する２方向の曲面を放電加工に利用することができるため、ワイヤＲの放電加工による劣化を抑え、ワイヤＲを断線し難くすることができるという効果を奏する。また、加工できる面が２面となるので、巻回数を増やす事も可能となり、加工後廃棄されるワイヤＲを無駄なく利用することができるという効果を奏する。また、ワイヤＲの巻回数を増やす事ができるので、１度にインゴットＩから形成できるウエーハの枚数を増やすことができ、作業効率を向上できる。

なお、インゴットは、SiC単結晶以外にも、単結晶ダイヤであってもよい。

１ マルチワイヤ放電加工装置
２ 繰り出しボビン
３０〜３５ ガイドローラ
３１ａ〜３４ａ 正転ローラ
３１ｂ〜３４ｂ 逆転ローラ
３４ｃ 回転軸
３４ｄ 支持軸
３４ｅ 後端部
３４ｆ 前端部
３４ｇ 前端部
３４ｈ 後端部
３６ 反転ローラ
４ 巻き取りボビン
５ 切断ワイヤ部
６１ 基台部
７２ 高周波パルス電源
９ 加工槽
１０ 籠
Ｉ インゴット
Ｗ ウエーハ
Ｕ 正転方向
Ｖ 逆転方向
Ｋ 劣化部

Claims (3)

1. 間隔をおいて配設され、隣接して並列する第一のガイドローラと第二のガイドローラとを含む複数のガイドローラと、
   複数の前記ガイドローラに軸方向に間隔をあけて複数回巻き掛けられて互いに並列し、前記第一のガイドローラと前記第二のガイドローラとの間でインゴットを複数の切断片に切断するワイヤと、
   前記ガイドローラに巻回されるワイヤの巻回向きを反転させる反転ローラと、
   前記ワイヤを供給するワイヤ供給手段と、
   前記ワイヤを巻き取るワイヤ巻き取り手段と、
   前記ワイヤに高周波パルス電力を供給する高周波パルス電源と、
   インゴットを固定する基台部と、を備えるマルチワイヤ放電加工装置であって、
   前記第一のガイドローラは、
   軸方向前方で、右回りに回転する第一の回転ローラと、
   軸方向後方で、左回りに回転する第二の回転ローラと、を備え、
   前記第二のガイドローラは、
   軸方向前方で、右回りに回転する第三の回転ローラと、
   軸方向後方で、左回りに回転する第四の回転ローラと、を備え、
   前記ワイヤは、
   前記第一の回転ローラと前記第三の回転ローラとの間で右回りに巻回された後、前記反転ローラを経由して、前記第二の回転ローラと前記第四の回転ローラとの間で左回りに巻回され、
   右回りに巻回された前記ワイヤは周方向において一方の周面からインゴットに切り込み、左回りに巻回された前記ワイヤは他方の周面からインゴットに切り込むことで、前記ワイヤの２つの周面を放電加工に利用できることを特徴とするマルチワイヤ放電加工装置。
2. 前記反転ローラには、前記ワイヤが左回りに巻回されることを特徴とする請求項１に記載のマルチワイヤ放電加工装置。
3. 前記第一のガイドローラは、前記第一の回転ローラが回転モーターによって駆動され、前記第二の回転ローラが空転可能に配設され、
   前記第二のガイドローラは、前記第四の回転ローラが回転モーターによって駆動され、前記第三の回転ローラが空転可能に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチワイヤ放電加工装置。

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