JP2013107162A - 切断装置及び基板の製造方法、半導体ウエハ - Google Patents

Abstract

【課題】うねりの小さい基板を容易に製造できるようにした切断装置及び基板の製造方法、半導体ウエハを提供する。
【解決手段】一対のローラー１０間にワイヤー２０が巻き掛けられてワイヤー列２１が構成され、ワイヤー列２１を一対のローラー１０間で移動させながら当該ワイヤー列２１にインゴット１を押し当てて該インゴット１を切断するワイヤーソー１００であって、補助ローラー６０を備える。この補助ローラー６０は、ワイヤー列２１に対しインゴット１からの負荷がない状態で、ワイヤー列２１に当接してその張力を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インゴットを切断する切断装置及び基板の製造方法、半導体ウエハに関する。

この種の従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。即ち、特許文献１には、棒状の材料を薄く切断して基板を製造する装置として、固定砥粒方式のワイヤーソーが開示されている。固定砥粒方式のワイヤーソーは、例えば、表面に砥粒が固着されたワイヤーを用いてワイヤー列を形成し、そのワイヤー列を高速で走行させることにより棒状の材料（即ち、インゴット）を切断する。

特開平１１−２８６５４号公報

ところで、図８（ａ）に示すように、インゴット１０１の切断が安定するまでの移行段階では、ワイヤー列１２１はインゴット１０１からの押圧力を受けて下側へ撓む。このとき、インゴット１０１はその角部を支点としてワイヤー列１２１を押圧するため、インゴット１０１の角部とワイヤー列１２１との接触箇所に特に力が集中する。即ち、ワイヤー列１２１の背力（インゴット１０１がワイヤー列１２１を押圧する力の反作用の力）がインゴット１０１の角部に集中する。その結果、インゴット１０１は角部から切断され始める。

また、インゴット１０１が例えば多結晶シリコンからなる場合、多結晶シリコンの結晶粒は大きさにバラツキがあり局所的に硬さが異なる。このため、多結晶シリコンの結晶粒が障害となって、ワイヤー列１２１はその切断方向（Ｚ軸の方向）と交差する横方向（例えば、Ｙ軸の方向）に押される場合がある。
ここで、インゴット１０１の切断が安定するまでの移行段階では、ワイヤー列１２１は撓み易い。つまり、図８（ｂ）に示すように、移行段階では、ワイヤー列１２１の切断方向に働く力（即ち、背力）Ｆ１に対して、横方向に働く力Ｆ２の割合が大きい。このため、インゴット１０１における被切断の方向が不安定となり易かった。例えば図８（ｂ）の矢印Ｆで示すように、被切断の方向が本来あるべきＺ軸の方向（即ち、Ｆ１の方向）ではなく、左右にばらついた方向（即ち、Ｆ１とＦ２とを合成した方向）となり易かった。

このように、被切断の方向Ｆが左右にばらついてしまうと、予め設定された位置でインゴット１０１を切断することが難しくなり、厚さが均一で被切断面（即ち、表面）の平坦性が高いウエハ（即ち、うねりの小さい）を製造することが難しくなる、という課題があった。例えば図８（ａ）に示したインゴット１０１では、角部から切断され始めることから、特に角部において、大きなうねりが生じやすかった。
そこで、この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、うねりの小さい基板を容易に製造できるようにした切断装置及び基板の製造方法、半導体ウエハを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る切断装置は、一対のローラーと、前記一対のローラー間に予め設定された張力で掛け渡されるワイヤーとを備え、前記ワイヤーを前記ローラー間で移動させながら当該ワイヤーにインゴットを押し当てて該インゴットを切断する切断装置であって、前記ワイヤーに対し前記インゴットからの負荷がない状態で、前記一対のローラー間の前記ワイヤーに当接して当該ワイヤーの張力を増加させる補助ローラー、を備えることを特徴とする。

このような構成であれば、ワイヤーによるインゴットの切断が安定するまでの移行段階の初期（即ち、切断の初期段階）において、補助ローラーは、ローラー間に掛け渡されたワイヤーの張力を高めることができる。ワイヤーは、補助ローラーにより所定の撓み量を与えられているので、インゴットが接触した直後から速やかに背力を発現させることができる。これにより、当該切断装置は、インゴットにおける被切断の方向を安定化することができ、予め設定された位置でインゴットを高精度に切断することができる。従って、当該切断装置は、厚さが均一で被切断面（即ち、表面）の平坦性が高い基板（即ち、うねりの小さい基板）を容易に製造することができる。

また、上記の切断装置において、前記ワイヤーによる前記インゴットの切断が安定すると前記ワイヤーと前記補助ローラーとが離れた状態となることを特徴としてもよい。このような構成であれば、ワイヤーによるインゴットの切断が安定しているとき（即ち、安定時）は、ワイヤーの背力をインゴットに集中させることができる。これにより、インゴットを効率良く切断することができる。

また、上記の切断装置において、前記補助ローラーを一対備え、前記一対の補助ローラーは、前記ワイヤーの走行方向において、前記ワイヤーの前記インゴットが押し当てられる位置の前後の位置にそれぞれ当接することを特徴としてもよい。このような構成であれば、一対の補助ローラーは、ワイヤーのインゴットが押し当てられる位置（以下、切断位置）の前後の位置を支点として、切断位置の張力を高めることができる。ワイヤーに張力を付与する支点の位置を切断位置の前後に配置することができ、且つ、これら支点の位置を切断位置に近づけることができる。このため、ワイヤーの切断位置の張力をより均一に高めておくことができる。

また、上記の切断装置において、前記ワイヤーは、表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤーであることを特徴としてもよい。このような構成であれば、ワイヤーの表面に固着された砥粒により、インゴットを効率高く切断することができる。
本発明の別の態様に係る基板の製造方法は、一対のローラー間に予め設定された張力でワイヤーを掛け渡し、前記ワイヤーを前記ローラー間で移動させながら当該ワイヤーにインゴットを押し当てて該インゴットを切断することにより、前記インゴットから基板を製造する方法であって、前記ワイヤーに対し前記インゴットからの負荷がない状態で、前記一対のローラー間の前記ワイヤーに補助ローラーを当接させて当該ワイヤーの張力を増加させることを特徴とする。

このような方法であれば、切断の初期段階において、ローラー間に掛け渡されたワイヤーの張力を高めることができる。切断を開始する前に、ワイヤーは補助ローラーにより所定の撓み量を与えられているので、ワイヤーの背力をインゴットが接触した直後から速やかに発現させることができる。これにより、インゴットにおける被切断の方向を安定化することができ、予め設定された位置でインゴットを高精度に切断することができる。従って、厚さが均一で表面の平坦性が高い基板（即ち、うねりの小さい基板）を容易に製造することができる。

また、上記の基板の製造方法において、前記基板は半導体ウエハであることを特徴としてもよい。このような方法であれば、うねりの小さい半導体ウエハを容易に製造することができる。
本発明のさらに別の態様に係る半導体ウエハは、上記の切断装置を用いて作製されたことを特徴とする。このような構成であれば、うねりの小さい半導体ウエハを実現することができる。

本発明によれば、インゴットにおける被切断の方向を安定化することができ、予め設定された位置でインゴットを高精度に切断することができる。従って、うねりの小さい基板を容易に製造することができる。

本発明の実施形態に係るワイヤーソー１００の構成例を示す図。 固定砥粒付のワイヤー２０の構成例を示す図。 補助ローラー６０の構成例を示す図。 ワイヤーソー１００によるインゴット１の切断工程を示す図。 ワイヤー列２１のピッチの一例を示す図。 参考例と本発明の実施形態とについて、背力の立ち上がりを比較した図。 ワイヤーソー１００の変形例を示す図。 従来技術の課題を示す図。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係るワイヤーソー１００の構成例を示す概念図である。図１に示すワイヤーソー１００は、インゴット１を薄く切断（即ち、スライス）してウエハを製造する装置である。インゴット１は例えば多結晶シリコンである。このワイヤーソー１００は、例えば、ローラー１０と、固定砥粒付のワイヤー２０と、ワイヤーボビン３０と、ガイドローラー４０と、テンションローラー５０と、補助ローラー６０と、ワークホルダー７０と、を備える。

ローラー１０は、例えば一対設けられている。これら一対のローラー１０は、予め設定された（即ち、所定の）間隔を置いて配置されている。一対のローラー１０は、その軸部１１を中心に右回り又は左回りにそれぞれ自転可能となっている。
ワイヤー２０は、一対のローラー１０間に予め設定された張力で掛け渡されている。例えば、ワイヤー２０は、一対のローラー１０間に繰り返し巻き掛けられており、互いに平行に配置された複数のワイヤー列２１を構成している。ワイヤー２０は、例えば鋼線やピアノ線等の金属線からなる。図２に示すように、ワイヤー２０の表面には、例えばダイヤモンド（Ｃ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の砥粒２６が固着されている。

ワイヤーボビン３０は、例えば一対設けられている。これら一対のワイヤーボビン３０は、ローラー１０に向けてワイヤー２０を繰り出したり、ローラー１０からワイヤー２０を巻き取ったりする。即ち、ワイヤーボビン３０は、同期をとって同じ方向に同じ速度で自転することによって、ワイヤーボビン３０の一方がワイヤー２０を繰り出し、その他方がワイヤー２０を巻き取る。そして、この動作により、ワイヤーボビン３０は、一対のローラー間１０に巻き掛けられているワイヤー列２１を往復移動させ、又は、一方向に移動させる（即ち、走行させる）。

なお、ワイヤー列２１を往復移動させる場合は、その往路の移動時に、ワイヤーボビン３０が未使用の新しいワイヤー２０を一定の長さだけ送り出すと共に、ワイヤーボビン３０が使用後（即ち、インゴット１の切断に使用された後）のワイヤー２０を一定長さだけ巻き取るようにしてもよい。つまり、ワイヤー列２１の往路における移動量を、ワイヤー列２１の復路における移動量よりも一定の長さだけ長くしてもよい。これにより、ワイヤーボビン３０は、ローラー１０に巻き掛けられているワイヤー列２１を新しいワイヤー２０で少しずつ入れ替えることができる。

ガイドローラー４０は、例えばワイヤーボビン３０とローラー１０との間でのワイヤー２０の移動をガイドするものである。ガイドローラー４０は複数個設けられている。複数個のガイドローラー４０の各々の位置は、ローラー１０やワイヤーボビン３０に対して固定されている。
テンションローラー５０は、ワイヤーボビン３０とローラー１０との間でワイヤー２０の張力を調整するものである。テンションローラー５０は複数設けられている。複数個のテンションローラー５０の各々は、その位置がワイヤー２０の延伸方向と交差する方向（例えば、上下方向）に移動する。これにより、テンションローラー５０は、ワイヤー２０の張力を強めたり弱めたりすることができる。なお、テンションローラー５０の移動は、例えばアクチュエータ（図示せず）による伸縮運動又は屈伸運動等により行う。

補助ローラー６０は、例えば一対設けられており、一定の距離を置いて配置されている。これら補助ローラー６０は、ワイヤー列２１に対しインゴット１からの負荷がない状態で、ワイヤー列２１に当接してワイヤー列２１の張力を増加させるものである。補助ローラー６０は、例えばローラー１０よりも径の小さいローラーである。
図３（ａ）及び（ｂ）は、補助ローラー６０の構成例を示す概念図である。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、補助ローラー６０は軸６１を有し、この軸６１は例えば支持部６２によって固定されている。また、この補助ローラー６０は、走行しているワイヤー列２１に押し当てられることにより、その軸６１を中心にワイヤー列２１の移動に対応して回転する。即ち、この補助ローラー６０は、回転自在となっている。

一例を挙げると、支持部６２は、Ｚ軸方向へ補助ローラー６０をワイヤー列２１の側に押圧するように筐体（図示せず）に固定されている。これにより、補助ローラー６０は、その外周面がワイヤー列２１に押し当てられている。この状態で、ワイヤー列２１がＸ軸方向へ移動すると、補助ローラー６０はワイヤー列２１を押圧した状態でワイヤー列２１の移動方向へ回転する。

なお、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、補助ローラー６０の表面には、軸方向（即ち、Ｙ軸方向）に一定の離間距離（即ち、ピッチ）で複数の溝６３が形成されていてもよい。この場合、複数の溝３６のＹ軸方向へのピッチは、例えば、複数のワイヤー列２１のＹ軸方向へのピッチと同じ長さであることが好ましい。これにより、補助ローラー６０がワイヤー列２１を押圧しているときは、複数の溝３６の各々に複数のワイヤー列２１の各々が入り込んだ状態となり、ワイヤー列２１のＹ軸方向への位置ずれを抑制することができる。

また、図１に示すよう、一対の補助ローラー６０は、例えばワイヤー列２１の走行方向（即ち、Ｘ軸方向）において、ワイヤー列２１のインゴット１が押し当てられる位置（即ち、切断位置）２２の前後の位置２３を押圧するように、それぞれ配置されていることが好ましい。これにより、一対の補助ローラー６０は、切断位置２２の張力を、この切断位置２２を挟む前後の位置２３を支点として高めることができる。ワイヤー列２１に張力を付与する支点の位置２３を切断位置２２の前後に配置することができる。また、これら支点の位置２３を切断位置２２に近づけて配置することができる。このため、ワイヤー列２１において、切断位置２２の張力をより均一に高めておくことができる。

ワークホルダー７０は、インゴット１を保持するものであり、ワイヤー列２１の上方に配置されている。ワークホルダー７０は、インゴット１を保持した状態で下降する（即ち、ワイヤー列の側に移動する）ことにより、インゴット１をワイヤー列２１に押し当てることができる。ワークホルダー７０の昇降動作は、例えば、ワークホルダー７０に取り付けられたシャフト（図示せず）をモーター（図示せず）で駆動して正・逆回転することにより行う。

（動作）
次に、上記のワイヤーソー１００の動作例を説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、ワイヤーソー１００によるインゴット１の切断工程を示す概念図である。図４（ａ）に示すように、まず始めに、ワークホルダー７０がインゴット１を保持する。上述したように、インゴット１は例えば多結晶シリコンである。また、このインゴット１の形状は、例えば四角形の断面を有する四角柱である。また、テンションローラー５０が例えば上昇又は下降して、ワイヤーの張力を調整する。調整後のワイヤーの張力は、例えば２５Ｎ〜３５Ｎの間である。また、図５に示すように、ワイヤー列２１の離間距離（即ち、ピッチ）は、例えば３２５μｍである。
この状態で、一対のワイヤーボビン３０が同期をとって自転し、ワイヤーの繰り出しと巻き取りとを行う。これにより、ワイヤー列２１は例えば往復移動する。ワイヤー列２１の移動速度は、例えば２００ｍ／ｍｉｎ〜１０００ｍ／ｍｉｎの間である。

次に、図４（ｂ）に示すように、ワークホルダー７０が下降して、インゴット１をワイヤー列２１に押し当てる。この切断の初期段階では、ワイヤー列２１には補助ローラー６０が押し当てられており、ワイヤー列２１の張力は補助ローラー６０により高められている。このため、ワイヤーソー１００は、切断の初期段階においてワイヤー列２１が撓むことを抑制することができ、ワイヤー列２１にインゴット１が接触した直後からワイヤー列２１の背力を速やかに発現させることができる。

また、このワイヤーソー１００では、少なくともインゴット１が切断される際に、補助ローラー６０のローラーに対する位置は固定されている。このため、図４（ｃ）に示すように、ワークホルダー７０がさらに下降すると、インゴット１はワイヤー列２１に強く押し当てられる。そして、補助ローラー６０はワイヤー列２１から離れ、ワイヤー列２１の張力はインゴット１により保持されることとなる。つまり、ワイヤー列２１によるインゴット１の切断が安定すると、ワイヤー列２１と補助ローラー６０とが離れた状態となり、ワイヤー列２１の背力はインゴット１に集中する。このため、ワイヤーソー１００はインゴット１を効率良く切断することができる。
この実施形態では、ワイヤーソー１００が本発明の「切断装置」に対応している。

（比較）
図６（ａ）及び（ｂ）は、参考例に係るワイヤーソーと、本発明の実施形態に係るワイヤーソー１００とにおける背力の立ち上がりを比較した図である。図６（ａ）及び（ｂ）において、横軸はインゴットがワイヤー列に接触してからのワークホルダーの下降量を示す。また、縦軸は、ワイヤー列の背力の大きさを示す。また、参考例に係るワイヤーソーは、例えば図１において補助ローラーを取り外した形態（即ち、補助ローラーを具備しない形態）を有する。

図６（ａ）に示すように、参考例に係るワイヤーソーでは、ワークホルダーの下降量が１５ｍｍに到達するまでは、背力はほぼ一定の割合で徐々に増大する。そして、１５ｍｍに到達した後は、背力は一定となる（切断が安定する）。切断の移行段階（例えば、ワークホルダーの下降量が１５ｍｍに到達するまでの間）では、背力が小さくてワイヤー列の撓み量が大きく、インゴットにおける被切断の方向が安定しなかった。

これに対して、図６（ｂ）に示すように、本発明の実施形態に係るワイヤーソー１００では、インゴットがワイヤー列に接触した直後の、移行段階の初期（即ち、切断の初期段階）において、背力は急激に増大する。その後、ワークホルダーの下降量が１５ｍｍに到達するまでの間は、背力はごく緩やかに増大し、１５ｍｍに到達した後は一定となる（切断が安定する）。このように、ワイヤーソー１００では、切断の移行段階において、その初期段階を除けば、背力は既に大きくてワイヤー列の撓み量は小さい。これにより、インゴットにおける被切断の方向が安定することが確認された。

（実施形態の効果）
本発明の実施形態によれば、以下の効果を奏する。
ワイヤー列２１に対しインゴット１からの負荷がない状態で、ワイヤー列２１の張力は補助ローラー６０により高められている。このため、ワイヤーソー１００は、切断の移行段階においてワイヤー列２１が撓むことを抑制することができ、その背力を速やかに発現させることができる。
これにより、ワイヤーソー１００は、インゴット１における被切断の方向を安定化することができ、予め設定された位置でインゴット１を高精度に切断することができる。従って、ワイヤーソー１００は、厚さが均一で表面の平坦性が高い（即ち、うねりの小さい）ウエハを製造することができる。

（変形例）
図７は、本発明の実施形態に係るワイヤーソー１００の変形例を示す概念図である。図７に示すように、上記のワイヤーソー１００は冷却ノズル８０を備えていてもよい。この冷却ノズル８０は、連続又は断続的に、ワイヤー列２１に向けて冷却媒を噴出する。冷却媒は、例えば純水である。ワイヤー列２１はインゴットとの摩擦により加熱されるが、ワイヤー列２１に冷却水が供給されることにより、ワイヤー列２１が過度に高温となることを防ぐことができる。

また、上記の実施形態では、例えば図２に示したように、ワイヤー２０として、表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤーを用いる場合について説明した。しかしながら、本発明において、ワイヤー２０の構成はこれに限られることはない。
上記の実施形態において、ワイヤー２０は、例えば金属線の表面に砥粒が固着されていないタイプのものを使用してもよい。この場合においても、一対のローラー１０間にワイヤー２０を巻き掛けてワイヤー列２１を構成する。そして、このワイヤー列２１に砥粒を含むスラリーを吹き掛けながら、ワイヤー列２１を往復移動させ、又は、一方向に移動させる（即ち、走行させる）。

上記の構成であっても、ワイヤー列２１にインゴットを押し当てることにより、インゴットを切断することができ、ウエハを製造することができる。また、この場合においても、図１に示したように、ワイヤー列２１に補助ローラー６０を押し当てることにより、このワイヤー列２１の張力を高めることができる。このため、上記の実施形態と同様に、インゴット１における被切断の方向を安定化することができる。

なお、本発明は、インゴットが多結晶構造の半導体からなる場合に適用して極めて好適である。しかしながら、本発明において、切断の対象となるインゴットは必ずしも多結晶構造に限定されるものではない。例えば、切断の対象は、単結晶構造の半導体、又はアモルファス構造の半導体からなるインゴットであってもよい。この場合も、インゴットにおいて被切断の方向の安定化に寄与することができる。

１ インゴット
１０ ローラー
２０ ワイヤー
２１ ワイヤー列
３０ ワイヤーボビン
４０ ガイドローラー
５０ テンションローラー
６０ 補助ローラー
７０ ワークホルダー
８０ 冷却ノズル
１００ ワイヤーソー

Claims (7)

1. 一対のローラーと、前記一対のローラー間に予め設定された張力で掛け渡されるワイヤーとを備え、前記ワイヤーを前記ローラー間で移動させながら当該ワイヤーにインゴットを押し当てて該インゴットを切断する切断装置であって、
   前記ワイヤーに対し前記インゴットからの負荷がない状態で、前記一対のローラー間の前記ワイヤーに当接して当該ワイヤーの張力を増加させる補助ローラー、を備えることを特徴とする切断装置。
2. 前記ワイヤーによる前記インゴットの切断が安定すると前記ワイヤーと前記補助ローラーとが離れた状態となることを特徴とする請求項１に記載の切断装置。
3. 前記補助ローラーを一対備え、
   前記一対の補助ローラーは、前記ワイヤーの走行方向において、前記ワイヤーの前記インゴットが押し当てられる位置の前後の位置にそれぞれ当接することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の切断装置。
4. 前記ワイヤーは、表面に砥粒が固着された固定砥粒付ワイヤーであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の切断装置。
5. 一対のローラー間に予め設定された張力でワイヤーを掛け渡し、前記ワイヤーを前記ローラー間で移動させながら当該ワイヤーにインゴットを押し当てて該インゴットを切断することにより、前記インゴットから基板を製造する方法であって、
   前記ワイヤーに対し前記インゴットからの負荷がない状態で、前記一対のローラー間の前記ワイヤーに補助ローラーを当接させて当該ワイヤーの張力を増加させることを特徴とする基板の製造方法。
6. 前記基板は半導体ウエハであることを特徴とする請求項５に記載の基板の製造方法。
7. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の切断装置を用いて作製されたことを特徴とする半導体ウエハ。

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