JP2000015625A - 硬脆材料の切断方法及び内周刃切断装置 - Google Patents

硬脆材料の切断方法及び内周刃切断装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内周刃ブレードを用いる単結晶インゴットの
切断方法及び装置に関し、へそがなく厚さが均一で反り
のないシリコンウエハを高能率で生産する。 【解決手段】 高速回転する内周刃ブレードの中心側か
ら外周側に硬脆材料8を送って切断する硬脆材料の切断
方法において、内周刃ブレードの砥粒層11に対して硬
脆材料8が接離する方向の振動を与える。与える振動
は、内周刃ブレードの回転方向と同方向の円振動であ
る。ワークホルダを内周刃ブレードの半径方向に送る送
り装置とワークホルダとの間に加振装置を介在させるこ
とで振動を付与する。振動を与えることにより、切削抵
抗を軽減でき、切断面のうねりやバウを軽減できる。ま
た、離隔時に切削液に伴って切粉が排出され、切断能率
を高めることができる。振動を円振動とすることで切断
面の中心にへそが形成されるのを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】この発明は、硬脆材料の切
断、特に単結晶インゴットからシリコンウエハを製造す
るのに好適な切断装置に関し、特に内周部にダイヤモン
ド砥粒を固着した内周刃ブレードを用いる切断方法及び
切断装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】単結晶インゴットからシリコンウエハを
製造する方法として、高い張力で張った薄刃の内周刃ブ
レードを高速回転させて切断するものが知られている。
この方法は、極薄ブレードで大口径のインゴットを加工
することができ、材料損失が少なく、厚さの薄いシリコ
ンウエハを製造することができ、しかも加工能率が高い
という利点がある。
【0003】従来の内周刃ブレードを用いる切断方法
は、スピンドルの上端に設けたトップリング及びボトム
リングで、内周部にダイヤモンド砥粒を電着させたドー
ナッツ状のステンレス製の内周刃ブレードの内周縁を高
張力状態で保持し、駆動装置でスピンドルを中心軸回り
に高速回転させると共に、送り装置のワークホルダで単
結晶インゴットを保持して、ワークホルダを内周刃ブレ
ードの中心側から外周側に送って単結晶インゴットを切
断するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする効果】しかし、従来の装置で
製造されたシリコンウエハは、厚さむら(うねり)や反
り(バウ)があって、そのままでは表面精度が粗く、集
積回路の生産には利用できない。そこで切断後のシリコ
ンウエハを遊離砥粒を研磨材にしてラッピング加工やポ
リシング加工等の研磨加工を施して、均一な厚さで鏡面
状態のシリコンウエハに加工される。集積回路の基板に
用いるときは、このような後加工を避けることができな
いのであるが、研磨加工時における加工量をできるだけ
少なくして生産能率を高めるためには、切削加工時の精
度をなるべく高くする必要がある。また、ラッピング加
工では厚さむら(うねり)を修復できるが、反り(バ
ウ)を除去できないので、後加工後にも反りがシリコン
ウエハに残ってしまうという問題があり、切断加工で反
りが生じないようにすることが重要である。
【0005】このような問題に対応する方法として、単
結晶インゴットを低速で自転させながら切削部に送ると
いう回し切り法が提唱されているが、この回り切り法で
はシリコンウエハにいわゆる「へそ」が生じるという欠
点がある。
【0006】本発明は、へそがなく厚さが均一で反りの
ないシリコンウエハを高能率で生産することができる、
内周刃切断方法及び装置を提供することを目的としてい
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
のこの発明の硬脆材料の切断方法は、高い張力で張った
内周刃ブレード4を高速回転させて、内周刃ブレードの
中心側から外周側に硬脆材料8を送って切断する硬脆材
料の切断方法において、内周刃ブレードの砥粒層11に
対して硬脆材料8が接離する方向の振動を与えるという
ものである。
【0008】請求項2の発明は、上記方法において、硬
脆材料に与える振動が内周刃ブレードの回転方向Aと同
方向の円振動Bであることを特徴とするものである。
【0009】また、この発明の硬脆材料の切断装置は、
内周刃ブレード4を高張力状態で保持するリング2、3
と、このリングを中心軸回りに高速回転させるスピンド
ル1と、ワークを保持するワークホルダ48と、このワ
ークホルダを内周刃ブレード4の半径方向に送る送り装
置23とを備えた内周刃切断装置において、送り装置2
3とワークホルダ48との間に内周刃ブレード4に対し
てワークを接離させる方向の円振動を与える加振装置3
3を介在させたものである。
【0010】請求項4の発明は、上記手段を備えた硬脆
材料の切断装置において、加振装置33が内周刃ブレー
ド4の面直角方向に配置した回転軸36と、この回転軸
の下端に偏心させて設けた偏心ピン42と、偏心ピンに
回転自在に設けた偏心リング44と、偏心リングの自転
を防止するスライドクランク46とを備えていることを
特徴とするものである。
【0011】
【作用】請求項1記載の切断方法は、切断加工時に単結
晶インゴットに振動を与えて内周刃ブレードに対して単
結晶インゴットを接離させるので、切削抵抗を軽減させ
ることができる。
【0012】切断中に偏磨耗などによって内周刃ブレー
ドが変形しても、振動によって単結晶インゴットから離
隔した時に、ブレードがもとの形に戻り、したがって巨
視的にみれば内周刃がいつも一定の形で単結晶インゴッ
トを切断することとなり、切断面のうねりやバウを軽減
することができる。また、離隔時に切削液に伴って切粉
が排出されるので、単結晶インゴットの切込量を大きく
することができ、切断能率を高めることができる。
【0013】請求項2記載の切断方法は、内周刃ブレー
ドの回転方向Aと同方向の円振動Bを与えながら切断す
るものであるから、シリコンウエハにへそが生じるのを
防止することができる。
【0014】請求項3記載の切断装置は、送り装置とワ
ークホルダとの間に介在した加振装置によって、ワーク
に円振動を与えることができ、請求項1記載の切断方法
を効率よく実施することができる。
【0015】請求項4記載の切断装置は、偏心ピンを有
する回転軸を内周刃ブレードの面直角方向に配置したの
で、ワークホルダに円振動を与えることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】図1及び図2は、本発明方法の一
実施形態を示すものである。実施に使用する切断装置
は、底面中心に鉛直方向のスピンドル1が固定されたボ
トムリング2とこれと同径のトップリング3とを備えて
いる。内周刃ブレード4をスピンドル1と同軸にして、
その外周縁をボトムリングとトップリング3との間に介
装し、トップリングの外径側にねじ込んだ締結ボルト5
の先端を内周刃ブレードの外周縁に設けた透孔6に挿通
したあと、その突出端をボトムリング2に螺合して内周
刃ブレードの外周縁をボトムリングとトップリングとで
挟持する。トップリングの内径側に螺合した押下ボルト
7を操作して、内周刃ブレード4に所望の張力を与えた
ものである。一方、単結晶インゴット8を加振装置のワ
ークホルダに固定して、内周刃ブレードの内側に切断し
ようとする厚さ分だけ下げた位置に単結晶インゴットを
設置する。なお切削部の上流側に加工液を連続的に供給
するノズル9を設けておく。
【0017】内周刃ブレード4を高速で矢印A方向に回
転させると共に加振装置のワークホルダで単結晶インゴ
ット8に矢印B方向に円振動を与えながら内周刃ブレー
ドの半径方向Cに切込み送りを与える。ノズル9から加
工液を矢印D方向に連続供給しながら、単結晶インゴッ
ト8を内周刃ブレード4に近づけて切削する。
【0018】図2は切削部の詳細を示したものである。
単結晶インゴット8が内周刃ブレードのダイヤモンド砥
粒層11に押圧されているときは、砥粒層11によって
インゴット8の切削が行われており、切粉12は砥粒層
11のダイヤモンドチップ13のポケット14に溜まる
(図2(a))。単結晶インゴット8が砥粒層11から
離れると、加工液15がダイヤモンドチップ13を洗浄
して切粉12をポケット14から外に吐き出す。したが
って、再び砥粒層11にシリコンインゴットが押圧され
たときの切削動作が円滑に行われる。また、単結晶イン
ゴット8が砥粒層11から離れると、切削反力によって
変形していた内周刃ブレードがもとの平坦な状態に復旧
する。
【0019】図3及び図4は本発明の内周刃切断装置を
示したものである。前記のスピンドル1は基枠16の左
側に設けられており、このスピンドル1の上面に設けた
ボトムリング2及びトップリング3を包囲するように防
水カバー17が配置されている。防水カバーの上面一か
所には加工液を供給するノズル9が設けられており、防
水カバー17で集められた加工液は貯留タンク18に集
められ、ろ過されて供給タンク19に移送される。供給
タンクの加工液は、ノズル9を介して切削部に噴射され
る。
【0020】基枠16の右側にはスライドベース21が
固着されている。スライドベースの上面にはX軸方向レ
ール22を介してX軸テーブル23が設けられている。
X軸テーブルはストロークパネルによって移動が制御さ
れており、任意の速度で移動させることができる。な
お、X軸テーブル23は、スライドベースに設けた手動
のハンドル25によっても移動させることができる。X
軸テーブルの左側には垂直方向(Z軸方向)の支持柱2
6が固着され、中央にはコントロールパネル27が固着
されている。支持柱の左側側面にはZ軸方向レール28
が固着されており、このZ軸方向レールを介してZ軸テ
ーブル29が設けられている。支持柱26の上端に設け
たエアシリンダ31がコンプレッサ32からの圧縮空気
によって作動して、Z軸テーブル29を上下動させる。
Z軸テーブルの下端に加振装置33が固設されている。
【0021】図4は加振装置を示したものである。加振
装置33は矩形の枠体34を備えており、枠体の右側下
部にはベアリング35を介して垂直方向の回転軸36が
装着されている。枠体34の左側上面にはモータ37が
駆動軸を下方に向けて固着されており、駆動軸の駆動プ
ーリ38と回転軸の上端の従動プーリ39とがベルト4
1によって連結されている。回転軸の下端には偏心ピン
42が設けられており、偏心ピンにベアリング43を介
して偏心リング44が装着されている。偏心ピンの下端
にある振幅調整キー45を操作して振幅量を変化させる
ことができる。偏心リングの左側周面には水平方向のク
ランクロッド46が設けられており、下面には上下に突
起47、47を有するコ字形のホルダ48が固着されて
いる。枠体の左側下面には回転軸36の方向に延びるガ
イドレール49を介してスライダ51が装着されてお
り、スライダ51とクランクロッドの先端とが自在継手
52によって連結されている。クランクロッド46は、
円振動を妨げないようにして偏心リング44の自転を防
止している。
【0022】ワークホルダ48の上下の突片47、47
にリン青銅製のバネ板53が2枚上下に平行に配置され
ており、リン青銅バネ板の中央にワーク固定台54が設
けられている。リン青銅製バネ板53に取り付けられた
歪みゲージ40によって切削反力が計測できる。切削反
力はバネ板に垂直方向の張力を与えるので、この張力の
大きさと歪みゲージによって測定する(以下「垂直方向
荷重」という)。ワークホルダ48は、ワーク固定台5
4にシリコンインゴット8を固着した状態で下動したと
きに、内周刃ブレード4と干渉しない位置に設置されて
いる。切断加工を行うときは、コントロールパネル27
で内周刃ブレードの仕様や寸法、回転速度、シリコンイ
ンゴットの送り速度などを入力する。次にエポキシ系接
着剤でシリコンインゴット8をワーク台54に接着し、
エアシリンダ31を作動してZ軸テーブル29を下降し
て、ワークホルダ及びシリコンインゴットの下部を内周
刃ブレード4の中に入れ、内周刃ブレードの平面より所
定寸法(スライス幅)だけ下方に位置させる。スピンド
ル1を高速回転して内周刃ブレードをA方向(図1参
照)に回転すると共に、加振装置のモータ37を駆動し
て回転軸36を回転させてワークホルダを介してシリコ
ンインゴットにB方向(図1参照)の円振動を与える。
ストロークパネル24を操作してX軸テーブル23を右
移動させて、シリコンインゴットに切込み送りを与え
る。送り量は切削量が一定になるように設定する。
【0023】
【実施例】上記装置を用いて表1の切削条件で工作物と
してシリコンインゴットに代えて、表2記載のパイレッ
クッスガラスの切断加工を行った。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】図5は切断送り速度を30mm/minと
した場合における工作物切込量と垂直方向荷重の関係を
示したものである。各々のプロット(●、□、▲、▽、
◆)はそれぞれ振動数が0、0.5、1.0、1.5、
2.0Hzの場合を示している。同図より無振動切断時
及び振動切断時ともに工作物切込量が約20mmをピー
クとした凸形になっている。これは内周刃ブレードと工
作物が円形であることに起因しており、工作物の切込量
が工作物直径の中央付近(工作物切込量が約20mm)
において、ブレードと工作物の接触弧長が最大となるた
めである。振動切断は無振動切断に比べて、工作物の切
込量が同じであれば垂直方向荷重、すなわち切削反力が
小さいことが分かる。
【0027】図6は振動数と垂直方向荷重の関係を示す
グラフである。同図において、縦軸上のプロットは無振
動時を表し、その他のプロットは振動切断時を表してい
る。また、各々のプロット(●、△、■、◇)はそれぞ
れ切断送り速度が10、20、30、40mm/min
の場合を表している。これより、無振動切断時に比較し
て振動切断時の方が垂直方向荷重は減少していることが
分かる。この理由としては、振動切断時において、図2
に示すように、切断加工中の工作物とブレードの間には
分離・接触現象を伴い、分離時には加工部に空隙ができ
ることから、加工液の流入出が容易になるためであると
考えられる。また、このことに起因して、砥粒の冷却効
果や切粉の排出性が向上するためであると考えられる。
また、振動数を0.5Hz以上に増加させても垂直方向
荷重は若干減少しているが、0.5Hz以上に増大させ
ても加工液の流入出にあまり向上が望めないために、切
粉の排出性や砥粒の冷却効果にも大きな変化が起こらな
いためであると考えられる。
【0028】図7は新品ブレードを使用した場合での連
続切断加工時における切断回数と垂直方向荷重の関係を
示すグラフである。同図において、プロット(■)は無
振動切断時を表し、プロット(○)は振動切断時(振動
条件:振動数2Hz、振幅0.293mm)を表してい
る。同図より、無振動切断時及び振動切断時ともに、切
断回数が増加するに伴って垂直方向荷重は比例的に増大
していることが分かる。この理由としては、切断回数を
重ねるに伴って砥粒先端が磨耗してしまい、砥粒に鋭利
さがなくなってしまうことにより砥粒の研削能力が低下
するためであると考えられる。また、切断回数を重ねる
に伴って、無振動切断時と振動切断時の垂直方向荷重の
差が増大していることが分かる。これは、前述したよう
に振動切断時においては工作物と内周刃ブレードが分離
・接触現象を起こしているために加工液の流入出は向上
し、砥粒の冷却効果並びに切粉の排出性も同様に向上す
ることに起因する砥粒の研削能力の向上が、切断回数を
重ねるに従って無振動切断時との差が現れてきたためで
あると考えられる。
【0029】図8及び図9は上記装置を用いて、無振動
切断及び振動切断時、送り速度30mm/min、振幅
0.3mm、振動数2Hzにおけるシリコンウエハ表面
のうねり曲線並びに粗さ曲線を示したものであり、その
測定方法は切断方法と同じである。
【0030】図8は無振動切断時及び振動切断時におけ
るウエハ表面のうねり曲線(切断方向)をそれぞれ示す
グラフである。これらより、無振動切断時に比較して振
動切断時の方が表面うねりは向上されていることが分か
る。この理由としては、無振動切断時においては内周刃
ブレードに荷重が付加されることによって生じた内周刃
ブレードの弾性変形で工作物と内周刃ブレードの接触弧
長さが増大し、内周刃ブレードに付加される荷重が増大
するに従って弾性変形量が増加し、これにより表面うね
りは悪化するものと考えられる。これに対して振動切断
時においては、切断加工中の内周刃ブレードと工作物が
分離・接触現象を生じることに起因して、内周刃ブレー
ドと工作物の分離時には、内周刃ブレードが原点復帰を
行うことにより、内周刃ブレードの弾性変形が抑制され
るために表面うねりは向上するものと考えられる。
【0031】図9は粗さ曲線を示すグラフである。振動
切断では、断続的に工作物への切込みを行っているため
に、無振動切断時に比較して表面粗さが粗くなってい
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】内周刃切断装置の要部斜視図
【図2】切削動作の模式図
【図3】内周刃切断装置の全体側面図
【図4】加振装置の断面図
【図5】工作物切込量と垂直方向荷重との関係を示すグ
ラフ
【図6】振動数と垂直方向荷重との関係を示すグラフ
【図7】切断回数と垂直方向荷重との関係を示すグラフ
【図8】うねり曲線を示すグラフ
【図9】粗さ曲線を示すグラフ
【符号の説明】
2 ボトムリング 3 トップリング 4 内周刃ブレード 8 シリコンインゴット 11 砥粒層 23 X軸テーブル 33 加振装置 36 回転軸 42 偏心ピン 44 偏心リング 46 クランクロッド 48 ホルダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 畝田 道雄 石川県石川郡野々市町扇が丘7の1 金沢 工業大学内 (72)発明者 竹田 剛 石川県石川郡野々市町扇が丘7の1 金沢 工業大学内 (72)発明者 田中 清勝 石川県石川郡野々市町扇が丘7の1 金沢 工業大学内 (72)発明者 倉田 直人 石川県石川郡野々市町扇が丘7の1 金沢 工業大学内 Fターム(参考) 3C069 AA01 BA05 BB01 BB02 BB04 BC02 BC03 CA04 CB01 CB04 DA06 DA07 EA01 EA02 EA05

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高い張力で張った内周刃ブレード(4) を
    高速回転させて、内周刃ブレードの中心側から外周側に
    硬脆材料(8) を送って切断する硬脆材料の切断方法にお
    いて、内周刃ブレードの砥粒層(11)に対して硬脆材料
    (8) が接離する方向の振動を与えることを特徴とする、
    硬脆材料の切断方法。
  2. 【請求項2】 硬脆材料に与える振動が内周刃ブレード
    の回転方向(A) と同方向の円振動(B) であることを特徴
    とする、請求項1記載の硬脆材料の切断方法。
  3. 【請求項3】 内周刃ブレード(4) を高張力状態で保持
    するリング(2),(3)と、このリングを中心軸回りに高速
    回転させるスピンドル(1) と、ワークを保持するワーク
    ホルダ(48)と、このワークホルダを内周刃ブレード(4)
    の半径方向に送る送り装置(23)とを備えた内周刃切断装
    置において、送り装置(23)とワークホルダ(48)との間に
    内周刃ブレード(4) に対してワークを接離させる方向の
    円振動を与える加振装置(33)を介在させたことを特徴と
    する、内周刃切断装置。
  4. 【請求項4】 加振装置(33)が内周刃ブレード(4) の面
    直角方向に配置した回転軸(36)と、この回転軸の下端に
    偏心させて設けた偏心ピン(42)と、偏心ピンに回転自在
    に設けた偏心リング(44)と、偏心リングの自転を防止す
    るスライドクランク(46)を備えていることを特徴とす
    る、請求項3記載の内周刃切断装置。
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