JPH0970747A

JPH0970747A - ワイヤソー

Info

Publication number: JPH0970747A
Application number: JP22642895A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kuboki; 孝久保木; Masayasu Kojima; 正康小嶋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】切断中にワイヤに周方向の自転を生ぜしめ、ワ
イヤ周面全体を均等に摩耗させることによってウエハ面
の波うちを抑制することが可能なワイヤソーを提供す
る。【解決手段】外周に所定ピッチのワイヤガイド溝を刻設
した複数のローラにワイヤを巻掛けてローラ間で切断用
ワイヤ列を張設するための複数の溝ローラと、ワイヤ列
に被切断材を押し付けるための被切断材移動台と、被切
断材とワイヤ列の間に砥粒を含む加工液を供給するため
の砥液供給装置とを具備したワイヤソーにおいて、移動
台が、前記切断用ワイヤ列に対して、切断用ワイヤ列を
張設している溝ローラの回転中心軸が位置する側に設置
されていることを特徴とするワイヤソー。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワイヤと砥粒によ
り、半導体材料、セラミックスなどのような材料を多数
のウエハに高精度に切断するワイヤソーに関する。

【０００２】

【従来の技術】ワイヤソーは、複数の溝ローラに所定の
ピッチでワイヤを巻掛けてワイヤ列を張設し、ワイヤを
走行させ、ワイヤ列に被切断材（以下ワークという）を
押し付ながら、ワイヤ列とワークの間に砥粒を含む加工
液（以下砥液という）を注ぎつつ、砥粒の研削作用によ
ってワークを多数のウエハに切断する装置である。

【０００３】図３は、一般的なワイヤソーの切断加工部
の構成を例示したものである。回転自在の３個の溝ロー
ラ１、２、３がそれぞれ平行に、かつ立体的に設置され
ており、１本のワイヤ４は、各溝ローラの樹脂製の外周
面に所定ピッチで刻設された多数のワイヤガイド溝に巻
き付けられて切断用ワイヤ列５（以下単にワイヤ列とい
う）が形成されている。溝ローラを回転させると、所定
ピッチのワイヤ列５が走行する。走行するワイヤ列５に
は砥液供給装置８から砥液７が供給され、この状態でワ
ーク６をワイヤ列５に押し付けると、砥液中の砥粒の研
削作用によって切断が徐々に進行していく。ワーク６
は、ガラスなどで製作されたダミー板９を介して金属ベ
ース１０に接着などの方法で固定されており、金属ベー
ス１０はワーク移動台１１にネジ１２によって脱着自在
に取り付けられている。この移動台１１をワイヤ列５の
方向に移動し、すべてのワイヤがワークを切断し、ダミ
ー板９まで切り進むと、切断が完了する。その後、ワー
ク移動台１１を降下させて、ワーク６からワイヤ列５を
抜き取り、ワーク６を金属ベース１０とともに取り外
し、ウエハをダミー板９から分離せしめてウエハを採取
する。切断されたウエハは、数回の研磨工程を経て製品
ウエハに仕上げられる。シリコンなどのエレクトロニク
ス基板となるウエハには極めて高い平坦度が要求され、
切断工程においても高低差１０μｍ以下の平坦度が必要
とされている。

【０００４】ところで、ワイヤソーで切断されたウエハ
には、主としてワーク移動方向に反りが発生することが
知られている。

【０００５】図４は、ワイヤで切断されたウエハの断面
と、その形状不良を示す図であり、（ａ）はウエハ切断
断面におけるワイヤ走行方向及びワーク移動方向を示す
図である。同図（ｂ）は、（ａ）に示すＡＡ断面のウエ
ハ切断面の形状の例で、ウエハ切断面の垂直方向の倍率
を拡大して示している。ワイヤで切断されたウエハの断
面では、ワイヤ走行方向ａ−ｂはほぼ平坦であるが、ワ
ーク移動方向ａ´−ｂ´には、図４（ｂ）に示すような
反りが発生しやすい。

【０００６】図５は、ウエハ切断面に発生する代表的な
形状を示す図であるが、前述の図４（ｂ）に示すウエハ
切断面の形状は、図５（ａ）に示すゆるやかな凹凸（以
下うねりという）と、図５（ｂ）に示す細かいピッチの
凹凸（以下波うちという）が合成されたものと考えるこ
とができる。図５（ａ）のうねりは、切断時に長時間に
わたって徐々に形成されたもので、切断中に前記溝ロー
ラ表面の樹脂の温度が変化して、ワイヤガイド溝の位置
が少しづつ移動することが主たる原因と考えられてい
る。これを抑制するための方法としては、例えば、特開
昭６２−２５１０６３号公報では溝ローラ軸の冷却方法
が、特開平７−１４４２号公報では温度制御した砥液を
溝ローラ表面に供給する方法がそれぞれ開示されてい
る。一方、図５（ｂ）の波うちを形成する原因はワイヤ
の真円度不良と言われている。

【０００７】図６は、真円度不良のワイヤによる波うち
発生の状態を示した図である。昭和５５年度、精機学会
春期大会学術講演会論文集、７４５頁の報文によれば、
図６（ａ）に示すように断面が楕円形のワイヤ４が傾い
てワーク切断溝２１に入ってきた場合には、ワイヤ断面
の長径ｃｃ方向の溝底２１′の研削がより多く進み、切
断溝２１が矢印Ａの方向に傾くとされる。ところで、図
６（ｂ）に示すように切断溝２１が鉛直面からずれるに
つれて、前述の図３に示す溝ローラ２、３間のワイヤの
張力が増加するので、ワイヤには、図６（ｂ）の矢印
Ｂ′で示す復元力が作用するようになる。この復元力は
ワイヤ断面の短径ｃ′ｃ′方向の溝底２１´の研削を進
めることになる。すなわち、ワイヤの真円度不良による
切断溝のＡ方向への曲がりと、ワイヤの復元力による切
断溝のＢ方向への曲がりが交互に発生することによって
図５（ｂ）に示す波うちが形成される。

【０００８】図７は、ワークの切断溝内におけるワイヤ
と砥粒との切断作用を説明する図である。

【０００９】ワイヤソーに使用されるワイヤは、極めて
真円度が高いダイスを用いて伸線されるので、新品状態
ではワイヤ断面の真円度は極めて良好である。ところ
が、同図に示すように切断加工において、砥粒２０を介
してワーク切断溝２１の底部２１′に接触するのはワイ
ヤ表面のおよそ半分であり、この部位がワイヤよりもは
るかに硬い砥粒２０との摺動によって僅かに摩耗する。

【００１０】図８は、ワーク６に形成された多数の切断
溝を通過するワイヤの状態を示しす図である。走行する
ワイヤ４は、同図に示す端側の切断溝２１−１を通過し
て複数の溝ローラを１回周回した後、次の切断溝２１−
２に入り、次々に隣の切断溝を通過しながら、最終的に
は最後の端部切断溝２１−ｎを通過してワークの切断域
外に出る。ワイヤ表面の特定部位が集中的に擦られる場
合には徐々に真円度が悪化していくことになる。ワイヤ
ソーによる切断においては、ワイヤの摩耗は本質的に避
け難い。したがって、ワイヤの真円度を保つにはワイヤ
全周を極力均等に摩耗させる必要があり、図８におい
て、ワイヤが切断溝２１−１に入ってから切断溝２１−
ｎを抜けるまでにワイヤが周方向に回転することが条件
となる。

【００１１】ワイヤを周方向に回転させる装置は、例え
ば実開昭５９−１４１３６号公報に開示されている。

【００１２】図９は同公報に開示されているワイヤを周
方向に強制的に回転させる装置を示す図である。同図に
示すように、溝ローラ１と２の間にワイヤ列を挟む一対
のワイヤ回転ローラ２２、２３を設け、それぞれのロー
ラを支持しているワイヤ２４を矢印２５、２６のように
互いに反対方向に移動させることによって、ワイヤに周
方向の回転を付与する方法である。しかしながら、この
方法はワイヤの走行速度が毎分１００ｍ程度の低速度の
場合に適用し得るものである。最近における毎分４００
ｍ以上の高速走行で切断能率を向上させたワイヤソーに
対しては、ワイヤ回転ローラ２２、２３の軸方向移動を
頻繁かつ高速に行うことが必要となり、ワイヤ列張力の
不安定化にともなう断線の恐れがある。また、ワイヤの
張力が大きい場合には、このような回転ローラではワイ
ヤに周方向の回転を付与し難いという致命的な欠点もあ
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような状
況に鑑みてなされたものであり、前記ワイヤ回転ローラ
の如き付加的装置を用いることなしに、切断中にワイヤ
に周方向の自転を生ぜしめ、ワイヤ周面全体を均等に摩
耗させることによってウエハ切断面の波うちを抑制する
ことが可能なワイヤソーを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】ワイヤソーに用いられる
直径０．２ｍｍ以下の極めて細いワイヤは剛性に乏し
く、簡単に捻られるものである。図３において、ワイヤ
は、溝ローラ１と３、溝ローラ１と２の少なくとも一方
の間において、ワイヤ列１ピッチ分づつずらしながら溝
ローラのワイヤガイド溝にスパイラル状に巻き付けら
れ、ワイヤガイド溝を乗り換える毎にワイヤには捩りが
加わる。その結果、剛性に乏しいワイヤは周方向に少し
づつ回転しながら走行する。これをワイヤの周方向の自
転と称することにする。本発明者らは、このワイヤの自
転が何らかの原因によって阻害されることによってワイ
ヤの真円度不良が発生するとの考察のもとに実験、検討
を繰り返した結果、次のような知見を得た。

【００１５】１）ワイヤを溝ローラに巻掛けた際、ワー
ク切断時にワイヤがワークと接するワイヤの外周面は、
ワイヤの製造時に残留した応力の大きさに影響され、従
来のワイヤソーでは、残留応力の小さい面がワークと接
することになる。

【００１６】２）従って、ワイヤの残留応力の小さい外
周面が摩耗し、その面の残留応力はますます小さくな
り、ワイヤの残留応力の小さい外周面がワークに接する
傾向はますます強くなる。

【００１７】３）ワイヤを周方向で均一に摩耗させるた
めには、走行中にワイヤを自転させる必要があり、その
ためのには溝ローラにワイヤを巻掛けた際、ワイヤの残
留応力の大きい外周面にワークが接するようにワークを
ワイヤに押付けなければならない。

【００１８】この発明は、このような知見に基づきなさ
れたもので、その要旨は、「外周に所定ピッチのワイヤ
ガイド溝を刻設した複数のローラにワイヤを巻掛けてロ
ーラ間で切断用ワイヤ列を張設するための複数の溝ロー
ラと、ワイヤ列に被切断材を押し付けるための被切断材
移動台と、被切断材とワイヤ列の間に砥粒を含む加工液
を供給するための砥液供給装置とを具備したワイヤソー
において、移動台が、前記切断用ワイヤ列に対して、切
断用ワイヤ列を張設している溝ローラの回転中心軸が位
置する側に設置されていることを特徴とするワイヤソ
ー」にある。

【００１９】溝ローラは、ワイヤ列形成のために必要で
あるから、溝ローラの数は最低２本あればよく、とくに
限定しない。好ましくは３本か４本である。

【００２０】ワイヤの切断中の自転はワイヤの製造時に
残留した応力分布によって大きく影響を受けるので、ま
ず、この点について説明する。ワイヤソーにおいては、
切断能率および切断精度の向上のためにワイヤは強い張
力下で使用される。従って、断線防止のためにワイヤの
引張強さは３０００ＭＰａ前後の極めて高強度のものが
必要とされている。そのために、炭素含有量が０．８％
前後の高炭素鋼が使用されるとともに、冷間ダイス伸線
による加工硬化を利用して高強度化されている。

【００２１】図１０は、ワイヤの縦断面の残留応力の径
方向の分布を示す図である。同図に示すようにワイヤの
表面近傍には大きな引張残留応力σt が形成され、芯部
にはそれと釣り合う圧縮残留応力σc が形成される。

【００２２】この残留応力分布は、図１０に示すような
軸芯に対して対称形になるのはまれである。

【００２３】図１１は、ワイヤの残留応力が径方向で非
対称に分布した例を示す図である。

【００２４】通常、同図（ａ）のように一方の表面Ｙの
引張残留応力σt が反対側の表面Ｘの引張り残留応力σ
t よりも大きくなる。このようなワイヤを短く切断する
と、図１１（ｂ）に示すようにワイヤの長手方向に曲が
り、表面Ｘの側が曲がりの外側にくる。残留応力分布の
対称性がくずれたものほど曲率半径ρが小さくなる。な
お、ワイヤが新品状態での残留応力分布が軸に対して完
全に対称形であったとしても、切断加工時の偏摩耗によ
ってその対称性がくずれるので、ワイヤの長手方向の曲
がりを防止することは現実には不可能と考えられる。

【００２５】ところで、このように長手方向に曲がろう
とするワイヤを溝ローラに巻き付けると、ワイヤ自体の
曲がり方向と一致するように溝ローラに巻き付く。

【００２６】図１２は、ワイヤを溝ローラに巻掛けた時
のワイヤ周面とローラとの位置関係を示す図である。同
図に示すように引張残留応力σt が小さい表面Ｘが各溝
ローラへの巻き付き部において外側にくる。これは、巻
き付けに必要な曲げエネルギが最小になることによるも
ので、この状態が最も安定しており、溝ローラを周回す
るワイヤのループの外側に常にワイヤ表面Ｘが位置した
状態にある。図１２の状態でワーク６を切断すると、ワ
イヤ表面Ｘの側が砥粒にこすられて走行し、表面Ｘの側
が摩耗する。このように、引張残留応力が小さいワイヤ
の表層部位（Ｘ側）が摩耗する結果、表面Ｘの側の引張
残留応力σt は小さくなり、ワイヤ４はさらに小さいρ
で曲がろうとする。すなわち、図１２における表面Ｙと
Ｘの位置関係を保持しようとする傾向はより強くなり、
前述のワイヤの自転は期待できなくなる。

【００２７】このように、前述の図３に示す従来のワイ
ヤソーによる切断においてワイヤの自転が阻害されるの
は、ワイヤの残留応力の非対称性にあり、それが切断加
工によってますます著しくなることによる。これは、図
１２に示すように、ワイヤ列５を張設している溝ローラ
２、３の回転中心Ｏ₂、Ｏ₃が位置する側とは反対側か
らワーク６を押し当てる構造に原因がある。従って、こ
れとは逆に、ワイヤ列５に対して溝ローラ２、３の回転
中心Ｏ₂、Ｏ₃が位置する側からワークを押し当てて切
断することによって、引張残留応力の大きいワイヤの周
面（Ｙ側）が摩耗し、ワイヤ周方向での残留応力の差が
小さくなるため、ワイヤの自転作用を保持し続けること
ができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の１実施態様を示
す図である。

【００２９】この例では、溝ローラは１、２、３の３個
を使用しており、各ローラの外表面は樹脂からなってい
る。ワイヤガイド溝のピッチは、０．４〜３ｍｍ程度
で、ウエハの用途により決定される。このローラを取囲
むように１本の直径０．２ｍｍ以下の細いワイヤ４が巻
掛けされており、１００〜１０００ｍ／分程度の速度で
走行させる。被切断材６を固定して移動させる被切断材
移動台１１は、切断用ワイヤ列５に対して、そのワイヤ
列５を張設している溝ローラ２、３の回転中心軸Ｏ₂、
Ｏ₃が位置する側に設置されている。すなわち、同図の
場合、ワイヤループの内側になる。

【００３０】図３に示す従来のワイヤソーとの違いは、
ワーク６を固定、移動させる被切断材移動台１１が、溝
ローラ１、２、３を巻掛けして形成されたループの内側
に設置されている点であって、ワークはループの内側か
らワイヤ列５に押し付けられる。

【００３１】この構造により、図１２で言えば、引張残
留応力σt が大きいワイヤ表面Ｙの側がワークに押し付
けられて摩耗するので、ワイヤ周方向での残留応力の分
布がより対称的となり、ワイヤの自転が発生し易い状況
になる。

【００３２】図２は、本発明の実施態様の他の例であ
る。上記ワイヤソーとの違いは、溝ローラ２、３にそれ
ぞれ補助ローラ２′、３′を付加した点にある。このよ
うな補助ローラを設けた構成にするとワイヤ列５に対す
るワイヤ列を張設している溝ローラの回転中心軸が位置
する側はワイヤループの外側になり、被切断材移動台１
１を従来のワイヤソーと同じようにワイヤループの外側
に設置することができる。

【００３３】補助ローラ２′、３′には必ずしもワイヤ
ガイド溝を設ける必要はない。この場合においても、引
張残留応力σt が大きい側のワイヤ表面がワーク６に当
接して摩滅するので、ワイヤの残留応力分布が円周方向
で対称になるように矯正される効果がある。

【００３４】上記構成のワイヤソー以外に、ワイヤ列に
対して切断用ワイヤ列を調設している溝ローラの回転中
心が位置する側に被切断材移動台を設けてワークをワイ
ヤ列に押し付けるという条件を満たすものであれば他の
構成であっても差し支えない。また、往復式、一方向式
などのワークに対する走行方式の如何に関わらず適用で
きることは言うまでもない。

【００３５】

【実施例】図２に示す構成のワイヤソーにより、下記条
件で同一のワイヤを用いてシリコンインゴット５本の切
断を実施した。切断後、使用した部位のワイヤ５０ヶ所
を１０cm切り取ってワイヤの曲率半径ρ（図１１（ｂ）
参照）とワイヤ断面の真円度α（最小径／最大径）を調
査した。また、切断したウエハの波打ち高Ｗさを測定し
た。

【００３６】被切断材材質：シリコン（インゴット）直径：２００mm 長さ：２００mm ワイヤソーワイヤ直径：０．１６mm ワイヤ走行速度：６００ｍ／分溝ローラ直径：１５０ｍｍ補助ローラ直径：８０ｍｍ切断速度：０．４ｍｍ／分砥液：ＳｉＣ砥粒（平均粒径２５μm ）とラッピン
グオイルを混合切断したウエハーの厚さは０．９mmで、インゴット１本
につき１９０枚であった。この切断を５回繰り返した。

【００３７】また、従来例として、図３に示す構成のワ
イヤソーを用いた以外は上記と同じ条件で切断を実施し
た。

【００３８】図１３は本発明例の測定結果を示す。

【００３９】図１４は従来例の測定結果を示す。

【００４０】なお、ウエハーの波打ち高さは全ウエハの
平均値を示す。また、真円度も平均値を示す。図１４に
示す従来のワイヤソーでは、ワイヤの使用回数の増加と
ともに曲率半径ρおよび真円度αが減少し、波打ち高さ
Ｗが次第に大きくなっている。すなわち、ワイヤ周面の
同一側のみが選択的に摩滅することが切断精度の悪化に
つながっている。これに対し、本発明例の場合は、図１
３からワイヤの使用回数が増えるに従い曲率半径ρは大
きくなり、ワイヤ周面での残留応力の差が小さくなって
いることが分かる。真円度が１回目で少し悪くなってい
るのは、切断初期はワイヤの摩耗が少ないのでワイヤ周
面での残留応力の差が小さくならないからであり、使用
回数が増えるに従い真円度は良くなっている。従って、
波打ちも切断回数が増えるに従い小さくなっており、従
来例の結果とは全く逆になった。

【００４１】

【発明の効果】本発明のワイヤソーによれば、新品ワイ
ヤが不可避的に有する残留応力の径方向非対称性を切断
加工時に自動的に矯正し、ワイヤの自転を効果的に生ぜ
しめてワイヤ周面の偏摩耗を防止し、それによって切断
された面の波打ちを抑制することができる。切断精度を
悪化させることなしに同一のワイヤを繰り返して使用す
ることができるので、ランニングコストの低減にもつな
がる。さらに、切断精度が向上することによる後工程の
研磨工数が短縮できるという波及効果もある。シリコン
に代表されるエレクトロニクス用ウエハ材料の需要は増
加の一途をたどっており、本発明のワイヤソーは工業的
に極めて大きな効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のワイヤソーの切断加工部の例を示す図
である。

【図２】本発明のワイヤソーの切断加工部の他の例を示
す図である。

【図３】従来のワイヤソーの代表的な加工部の構成を示
す斜視図である。

【図４】ワイヤソーで切断されたウエハの断面とその形
状不良を示す図である。

【図５】ウエハ切断面に発生する代表的な形状を示す図
である。

【図６】真円度不良のワイヤによる波うち形成の説明図
である。

【図７】ワークの切断溝内におけるワイヤと砥粒との切
断作用を説明する図である。

【図８】ワークに形成された多数の切断溝を通過するワ
イヤの状態を示す図である。

【図９】ワイヤに周方向回転を強制的に付与する方法の
説明図である。

【図１０】ワイヤの残留応力の径方向分布図である。

【図１１】非対称の残留応力分布を有するワイヤの説明
図である。

【図１２】非対称の残留応力分布を有するワイヤを溝ロ
ーラに巻き付けた時のワイヤ周面と溝ローラの位置関係
を示す図である。である。

【図１３】本発明のワイヤソーでの連続切断結果を示す
図である。

【図１４】従来のワイヤソーでの連続切断結果を示す図
である。

【符号の説明】

１、２、３溝ローラ２′３′補助溝ローラ４ワイヤ５切断用ワイヤ列６被切断材（ワーク）７砥液８砥液供給装置９ダミー板 10 金属ベース 11被切断材移動台 12固定ネジ 20砥粒 21ワークの切断溝 21´切断溝底部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周に所定ピッチのワイヤガイド溝を刻設
した複数のローラにワイヤを巻掛けてローラ間で切断用
ワイヤ列を張設するための複数の溝ローラと、ワイヤ列
に被切断材を押し付けるための被切断材移動台と、被切
断材とワイヤ列の間に砥粒を含む加工液を供給するため
の砥液供給装置とを具備したワイヤソーにおいて、移動
台が、前記切断用ワイヤ列に対して、切断用ワイヤ列を
張設している溝ローラの回転中心軸が位置する側に設置
されていることを特徴とするワイヤソー。