JP4341449B2 - 多結晶シリコンロッドの切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体材料であるシリコンウエーハの原料などに用いられる高純度多結晶シリコンの切断装置に関する。より詳しくは、金属汚染の少ない切断装置に関する。

従来、単結晶シリコンの製造方法としてチョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）が知られている。ＣＺ法は多結晶シリコンを溶融し、単結晶シリコン片を種結晶として単結晶シリコンを結晶成長させる方法である。このＣＺ法に使用される多結晶シリコンは、トリクロロシランを原料とするシーメンス法やモノシランを原料とするモノシラン法によって製造されている。シーメンス法は棒状のシリコンシードを通電加熱し、その熱によってトリクロロシランを分解してシード表面に多結晶シリコンを析出させる方法であり、棒状の多結晶シリコン（多結晶シリコンロッド）が得られる。

このロッド状の多結晶シリコン（多結晶シリコンロッド）は概ね１ｍ以上の長さを有するので、ＣＺ法の原料として用いるには、多結晶シリコンを石英製のルツボに詰めやすい大きさに切断する必要がある。従来、多結晶シリコンロッドを切断するために外周刃による切断機（以下、ＯＤソーと云う）を使用して加工を行っており、さらにこの外周刃による切断の際、ロッド内部に存在する残留歪の影響によって切断中に割れが発生する問題を避けるためにロッドを回転しながら切断する方法が知られている（特許文献１、２）。

しかし、この外周刃を用いた切断方法は、一般的にダイヤモンド外周刃のダイヤ部分に銅を主成分としたメタルボンド砥石が用いられているため、切断時に銅が多結晶シリコン中に拡散すると云う不純物汚染が問題になる。

一方、内周刃（ＩＤソー）は電着ダイヤモンド砥石を用いているので、内周刃による切断においては銅汚染の虞れがなく、単結晶シリコンの切断に用いられている（特許文献３）。しかし、多結晶シリコンロッドの切断には従来用いられていない。この理由は、一般に内周刃は刃先が薄く形成されているため、大きな負荷が加わると破損する虞があり、また、一般に多結晶シリコンロッドは断面が真円でなく、しかも軸方向に曲りを有するものもある。このような多結晶シリコンロッドについて、外周刃のように内周刃をロッドに向かって移動しながら切断しようとすると、刃先に大きな負荷が不規則に加わるため刃先の破損が頻発し、安定に切断できないなどの問題がある。
特開昭５４−１５２２８４号公報 米国特許第６３５０３１３号公報 特開２０００−１５６２５号公報

本発明は、多結晶シリコンロッドの切断方法ないし装置における従来の上記問題を解決したものであり、内周刃を用いて多結晶シリコンロッドを安定に切断する装置を提供するものであって、ロッドを回転する手段と、ロッドを軸方向に移動する手段を設け、内周刃をロッドに向かって移動せずに定位置で回転させ、この内周刃に向かってロッドを移動して切断することによって、内周刃に対する負担が少なく、多結晶シリコンを安定に切断する装置を提供する。

本発明によれば以下の多結晶シリコンロッド切断装置が提供される。
〔１〕 多結晶シリコンロッドの軸方向に沿って前後進するテーブル、該テーブルの前方に固定された内周刃を有し、該テーブルの上面には、多結晶シリコンロッドを把持して回転するチャックと、該ロッドを支持する昇降自在なローラが設置されており、さらにテーブル上面の昇降動手段と、また該テーブルと内周刃の間にはロッドを把持するクランプが設けられており、ローラによってロッドを支持した状態でテーブルを移動してロッドを定位置で回転する内周刃の内側に挿入し、チャックによってロッドを回転すると共に、昇降動手段によってテーブル上面を上昇させてロッドを内周刃に押し当てて切断し、切断終了後に昇降動手段によってテーブル上面を下降してロッドを切断開始位置に復帰させることを特徴とする多結晶シリコンロッドの切断装置。

本発明の上記多結晶シリコンロッド切断装置は以下の態様を含む。
〔２〕 多結晶シリコンロッドをチャックに把持した状態でテーブルを前進させ、ロッド先端を内周刃の内側に挿入して切断開始位置で停止し、ロッドを回転し、昇降動手段によってチャックを上昇させてロッドを内周刃に押し当てて切断し、切断終了後、ロッドの回転を停止し、次いでチャックを下降してロッドを切断開始位置に復帰させる上記[１]のロッド切断装置。
〔３〕 ローラを上昇して切断開始位置に復帰したロッドを支持させると共にクランプによってロッドを把持し、次いで、チャックを開いてロッドの後方に移動させた後に、再びチャックを閉じてロッドを把持した状態でクランプを開くと共にローラを下降させ、次いで、テーブルを前進させてロッド先端を内周刃の内側に挿入して次の切断を行う上記[１]または上記[２]の何れかに記載するロッド切断装置。
〔４〕 テーブル、チャック、クランプ、ロッドの各動作を制御する自動制御系を有し、ロッドの設置と切断を自動的に行う上記[１]〜上記[３]の何れかに記載するロッド切断装置。

〔具体的な説明〕
本発明の切断装置の一例を図１に示す。図示する切断装置は、多結晶シリコンロッドを把持して回転する手段、把持した上記ロッドを昇降動する手段、該ロッドを軸方向に移動する手段を有する。具体的には、多結晶シリコンロッド６０の軸方向に沿って前後進するテーブル１０、該テーブル１０の前方に設置された内周刃２０を有している。該テーブル１０の上面には、多結晶シリコンロッド６０を把持して回転するチャック３０と、該ロッド６０を支持する昇降自在なローラ４０が設置されており、テーブル１０と内周刃２０の間に上記ロッド６０を把持するクランプ５０が設けられている。

テーブル１０の上面には上記チャック３０とローラ４０が設置されており、このテーブル１０の上面を昇降動する手段１１が設けられている。また、ローラ４０は昇降手段を有しており、上昇してロッド６０を支持し、下降してロッド６０の支持を開放する。一方、テーブル１０の前方に位置する内周刃２０は定位置で高速回転しており、ロッド先端がこの内周刃２０の内側に挿入される。内周刃２０の前方外側には切断されたロッド片を受け取る受台７０が設けられている。本発明の切断システムでは、内周刃２０は定位置で回転し、ロッド６０に向かって移動しない。ロッド６０を回転させながら内周刃２０に向かって移動させて切断する。

上記チャック３０は回転自在な筒状の本体３１と、該本体３１の全面に摺動自在に装着された爪部材３２を有する。多結晶シリコンロッド６０は筒状の本体３１の内側に挿通される。本体全面に装着された複数の爪部材３２は該ロッド６０に向かって放射状に配置されており、該爪部材３２が閉じることによって該ロッド６０を把持し、爪部材３２が開くことによってロッド６０を開放する。

クランプ５０はロッド６０を挟んで上下に押圧部材５１が設けられており、該押圧部材５１がロッド６０に対して上下動して閉じることによって、ロッド６０を把持固定し、また押圧部材５１が上下動しロッド６０から離れて開くことによってロッド６０を開放する。

上記装置による切断工程を図２に示す。図示するように、チャック３０の筒状本体３１に挿通した多結晶シリコンロッド６０に対して爪部材３２を閉じて該ロッド６０をチャック３０に把持し、次いでローラ４０を下降し、この状態でテーブル１０を前進させ、ロッドの先端を内周刃２０の内側に挿入して切断開始位置で停止する。この位置でチャック３０を回転し、把持したロッド６０を回転する（工程Ａ）。次いで、テーブル１０の上面を昇降動手段１１によって上昇させ、チャック３０によってロッド６０を把持し回転した状態で内周刃２０に押し当てて切断を開始する（工程Ｂ、上昇速度ｆ１）。

内周刃２０がロッド６０に接触して切断を開始した段階でテーブル１０上面の上昇速度を遅い速度（ｆ２）に切替える。この段階では切込みは部分的であり、ロッドの全周に切込みは入っていない（断続切削）。ロッド全周に切込みが入った段階（連続切削）で、テーブル１０上面の上昇速度を早くし（ｆ３）、切断を進める（工程Ｃ）。

切断が進行した段階でテーブル１０上面の上昇を一時停止し（工程Ｄ）、受台７０のセンサーがワークを感知する位置まで上昇させる（工程Ｅ）。次いで、チャック３０の回転数を変え（初期回転数W1より遅い回転数W2にする）、再びテーブル１０上面を上昇させて切断を進める。この時のテーブル１０上面の上昇速度ｆ４は一時停止前の速度ｆ３よりやや遅くすると良い（工程Ｆ）。

テーブル１０の上面を設定位置まで上昇させて切断を完了させる。切断されたロッド（ワーク）は受台７０の上に落下し、受台７０に支持される。一方、テーブル１０の上面が設定位置まで上昇すると、チャック３０が僅かに（例えば５mm程度）後退して、回転を停止する（工程Ｇ）。次いで、受台７０が原位置まで下降し、さらにチャック３０がロッド６０を把持した状態でテーブル１０の上面が切断開始位置まで下降する（工程Ｈ）。

その後、図３に示すように、ローラ４０が上昇してロッド６０を支持し（工程Ｉ）、この状態でチャック３０が開いてロッド６０を離すと共に、クランプ５０が閉じてロッド６０を把持する（工程Ｊ）。ロッド６０がローラ４０とクランプ５０に支えられてフリーになったチャック３０は後方に移動する（工程Ｋ）。ロッド６０の後方でチャック３０は再び閉じてロッド６０を把持し、一方、クランプ５０は開いてロッド６０を開放する（工程Ｌ）。

チャック３０がロッド６０を把持した後に、ローラ４０が下降し、ロッド６０はチャック３０に把持された状態で前進し（工程Ｍ）、切断開始位置で停止し（工程Ｎ）、前述の切断工程Ａ〜Ｎを繰り返す。

テーブル、チャック、クランプ、ロッドの各位置を検出するセンサーと各動作を制御する自動制御系を設けて上記一連の動さを自動的に行うことができる。また、上記各工程Ａ〜Ｎの動作は一例であり、工程の入れ替えや省略、追加など適宜に変更することができる。テーブルの上昇速度やチャックの回転数なども適宜に変更することができる。なお、図示する例ではチャックを上昇して切断する態様を示したが、チャックを下降して切断しても良い。

また、ロッド６０に接触する部分、例えば、チャック３０の爪部分３２、ローラ４０、クランプ５０、受台７０は金属が露出しないように樹脂コートを設け、あるいは樹脂製とし、機器からの金属汚染を防止するのが好ましい。

本発明の切断方法および切断装置においては、内周刃を用いて多結晶シリコンロッドを切断するので、外周刃のような銅汚染の問題がなく、また、多結晶シリコンロッドに接触する各部材に樹脂コートを設け、あるいは樹脂製の部材を用いることによって、他の金属による汚染を大幅に防止することができる。

本発明の切断装置の好適な一例は図１に示すとおりであり、前述したように、この装置構成によって多結晶シリコンロッドを金属汚染の少ない状態で切断することができる。

図１の切断装置を用い、外径１２５mm、長さ１２００mmの多結晶シリコンロッドを、表1に示す条件下で切断した。切断後、弗酸と硝酸混液（弗酸：硝酸＝１：２０）の入ったシャーレに切断面を浸漬して、切断面のみを５〜６分間溶解させた。溶解後、切断片をシャーレから取り出し、溶解した酸液をＩＣＰ−ＭＳで分析し、分析結果を切断面面積で割り算出した。この結果を表２に示す。同様な測定を外周刃（ＯＤソー）を用いて切断した場合についても行った。この結果を表２に対比して示した。比較すると、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｎａの不純物について何れもＯＤソー切断よりも本発明のＩＤソー切断のほうが低い結果が得られた。

本発明の切断装置の概念図 上記装置による切断工程図 上記装置による切断工程図

符号の説明

１０−テーブル、１１−昇降動手段、２０−内周刃、３０−チャック、３１−本体、３２−爪部材、４０−ローラ、５０−クランプ、５１−押圧部材、６０−多結晶シリコンロッド。

Claims (4)

1. 多結晶シリコンロッドの軸方向に沿って前後進するテーブル、該テーブルの前方に固定された内周刃を有し、該テーブルの上面には、多結晶シリコンロッドを把持して回転するチャックと、該ロッドを支持する昇降自在なローラが設置されており、さらにテーブル上面の昇降動手段と、また該テーブルと内周刃の間にはロッドを把持するクランプが設けられており、ローラによってロッドを支持した状態でテーブルを移動してロッドを定位置で回転する内周刃の内側に挿入し、チャックによってロッドを回転すると共に、昇降動手段によってテーブル上面を上昇させてロッドを内周刃に押し当てて切断し、切断終了後に昇降動手段によってテーブル上面を下降してロッドを切断開始位置に復帰させることを特徴とする多結晶シリコンロッドの切断装置。
2. 多結晶シリコンロッドをチャックに把持した状態でテーブルを前進させ、ロッド先端を内周刃の内側に挿入して切断開始位置で停止し、ロッドを回転し、昇降動手段によってチャックを上昇させてロッドを内周刃に押し当てて切断し、切断終了後、ロッドの回転を停止し、次いでチャックを下降してロッドを切断開始位置に復帰させる請求項１のロッド切断装置。
3. ローラを上昇して切断開始位置に復帰したロッドを支持させると共にクランプによってロッドを把持し、次いで、チャックを開いてロッドの後方に移動させた後に、再びチャックを閉じてロッドを把持した状態でクランプを開くと共にローラを下降させ、次いで、テーブルを前進させてロッド先端を内周刃の内側に挿入して次の切断を行う請求項１または２の何れかに記載するロッド切断装置。
4. テーブル、チャック、クランプ、ロッドの各動作を制御する自動制御系を有し、ロッドの設置と切断を自動的に行う請求項１〜３の何れかに記載するロッド切断装置。

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