JP7381031B1 - ＳｉＣ延長インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、本発明は、結晶の成長性に依存することなく長尺なインゴットを得ることができ、結晶の品質を維持しながら優れた加工性を実現することができる延長インゴットおよびＳｉＣ延長インゴットの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】筒状に研削加工された単体のＳｉＣインゴットを軸方向に接合させて延長させたＳｉＣ延長インゴットは、単体のＳｉＣインゴットは、その端面が鏡面に研削加工され、鏡面に研削加工された前記ＳｉＣインゴットの端面同士が結合することにより延長されてなる。【選択図】図６

Description

本発明は、筒状に研削加工された単体のＳｉＣインゴットを軸方向に接合させて延長させたＳｉＣ延長インゴットの製造方法に関するものである。

従来、ＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法は、下記特許文献１に示すように、昇華法によるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法であって、坩堝の下部に、高熱伝導率原料を備える高熱伝導率原料層と、高熱伝導率原料層の上側又は下側の少なくとも一方に低熱伝導率原料を備える低熱伝導率原料層とを配置して原料部を形成し、高熱伝導率原料層中に原料部の最高温度がくるように加熱を行って、ＳｉＣ単結晶インゴットの成長を行うものが知られている。

特開２０２０-０８３７０４号公報

従来のかかるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法によれば、坩堝内に配置された原料の温度均一性を向上し、原料の有効活用することができ、結晶の成長性を向上させることがきる。

しかしながら、ＳｉＣ結晶では多少の成長性の向上が図られ長尺化に寄与するとしても、成長性や長尺化は限界があり、シリコンのような長尺のインゴットを得ることは困難である。

一方、ＳＯＩウェハの作製のように、単に、シリコンウェーハの鏡面同士を接着剤等で接着させたり、接着剤等を用いない場合に（接着状態は完全なものではないので）熱処理を加えて結合させることも考えられるが、接着剤や熱処理によりその後のＳｉＣインゴットの加工工程への影響や結晶自体の品質低下につながってしまう虞がある。

以上の事情に鑑みて、本発明は、結晶の成長性に依存することなく長尺なインゴットを得ることができ、結晶の品質を維持しながら優れた加工性を実現することができるＳｉＣ延長インゴットの製造方法を提供することを目的とする。

第１発明のＳｉＣ延長インゴットの製造方法は、筒状に研削加工された単体のＳｉＣインゴットを軸方向に接合させて延長させたＳｉＣ延長インゴットの製造方法において、
前記単体のＳｉＣインゴットに対して、その端面を鏡面に研削加工する研削加工工程と、
前記研削加工工程により鏡面に研削加工された前記ＳｉＣインゴットに対して、端面同士を結合させる結合工程と
を備えて、前記結合工程により前記単体のＳｉＣインゴットを軸方向に延長させるＳｉＣ延長インゴットの製造方法であって、
前記研削加工工程は、
（１）研削加工するダイアモンド砥石の粒径と、
（２）前記ＳｉＣインゴットを支持台を介して研削盤に押圧する押圧力と、
（３）前記支持台の前記研削盤に対する進行速度と
から、前記ＳｉＣインゴットの研削盤側の表面に、前記研削盤との間で前記ダイアモンド砥石が介在する摩擦に起因する温度上昇により塑性変形領域を形成する際に、
前記ダイアモンド砥石の粒径が該塑性変形領域の領域幅を超えるような粒径を採用せず、且つ、前記進行速度は連続的に形成される該塑性変形領域の深さを超えないようにすることを特徴とする。

第１発明のＳｉＣ延長インゴットの製造方法によれば、単体のＳｉＣインゴットの端面同士を結合して延長するため、結晶自体の成長性に依存することなく、結合を繰り返すことで所望の長尺のインゴットを得ることができる。

また、結合は、鏡面に研削加工された端面同士を結合させた結晶結合であるため、簡易でありながら強固な結合を実現することができる。そのため、長尺化させた当該ＳｉＣ延長インゴットからウェハを切り出す際にも、その形状を維持した状態から切り出しが可能となり加工性に優れたインゴットを得ることができる。

このように、第１発明のＳｉＣ延長インゴットの製造方法によれば、結晶の成長性に依存することなく長尺なインゴットを得ることができ、さらに、結晶の品質を維持しながら優れた加工性を実現することができる。

第２発明のＳｉＣ延長インゴットの製造方法は、第１発明において、
前記単体のＳｉＣインゴットは、その側面を切り欠いたノッチを有し、
前記結合工程では、前記ＳｉＣインゴット同士は、前記ノッチを合わせた状態で、鏡面に研削加工された端面同士が結合することにより延長されてなることを特徴とする。

第２発明のＳｉＣ延長インゴットの製造方法によれば、結合して延長させた延長インゴットはその外径形状が揃っていることが加工性から望ましいところ、単体のＳｉＣインゴットの側面に一または複数のノッチを設けて、ノッチを合わせることで単体のＳｉＣインゴット同士を結合する際にその外径形状を合わせることができ、ひいては外径形状が揃ったＳｉＣ延長インゴットを得ることができる。

このように、第２発明のＳｉＣ延長インゴットの製造方法によれば、結晶の成長性に依存することなく長尺なインゴットを得ることができ、さらに、結晶の品質を維持しながら優れたより高い加工性を実現することができる。

本実施形態のＳｉＣウェハ（半導体結晶ウェハ）の製造工程全体を示すフローチャート。 図１のＳｉＣウェハの製造工程における第１面加工工程および第２面加工工程の内容を示す説明図。 図１のＳｉＣウェハの製造方法における第１面加工工程および第２面加工工程の内容を示す説明図。 図１のＳｉＣウェハの製造方法における第１面加工工程および第２面加工工程における加工状態を示す模式図。 図１のＳｉＣウェハの製造方法における第１面加工工程および第２面加工工程における加工状態を示す模式図。 従来のＳｉＣウェハの製造方法における第１面加工工程および第２面加工工程における加工状態を示す模式図。 図１のＳｉＣウェハの製造方法における第１面加工工程および第２面加工工程により得られたウェハ同士を結晶結合させた状態を示す説明図。

図１に示すように、本実施形態において、半導体結晶ウェハであるＳｉＣウェハの製造方法は、円筒形状に研削加工されたＳｉＣインゴットからスライス状に切り出したウェハの一面のうねり除去を施したＳｉＣウェハを得る方法であって、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）と、切断工程（ＳＴＥＰ１１０／図１）と、第１面加工工程（ＳＴＥＰ１２０／図１）と、第２面加工工程（ＳＴＥＰ１３０／図１）とを備える。

なお、ＳＴＥＰ１２０の第１面加工工程と、ＳＴＥＰ１３０の第２面加工工程とにおける加工処理、すなわちメカニカルポリッシュ（高精度研削加工）が、本発明の特徴的な研削加工および研削加工工程に相当する。一方、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程およびＳＴＥＰ１１０の切断工程については、本願出願人による特許７１０４９０９号、特許７１００８６４号等に記載されているため、ここでの詳細な説明を省略して、以下概要のみを説明する。

まず、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程では、予め結晶させたＳｉＣ結晶に対して、インゴット加工工程において、結晶方位を定めて円筒研削加工を施して得られる円筒形状のＳｉＣインゴットを準備する。

そして、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程では、かかるＳｉＣインゴットに対して、側面全体に周回する複数の凹溝を形成する。

具体的に、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程では、凹溝に対応した凸部が側面に形成された溝加工ドラム砥石を互いに平行な回転軸上でそれぞれ回転させながらＳｉＣインゴットに圧接することにより凹溝を形成する。

なお、溝加工工程により得られたＳｉＣインゴット（特に凹溝）に対して化学処理的手法によりノンダメージの鏡面加工を施すことが望ましい。

次に、ＳＴＥＰ１１０の切断工程では、溝加工工程において形成された複数の凹溝に配置された複数のワイヤーによりＳｉＣインゴットをスライス状に切断してＳｉＣウェハ１００を得る。

具体的に切断工程では、切断加工装置であるワイヤーソー装置は、ワイヤーソー部が、複数のワイヤーを溝加工工程で形成した複数の凹溝にそれぞれ合せて、ワイヤーを周回させながら前進させることによりＳｉＣインゴットをスライス状に切断する。

次に、図２に示すように、ＳＴＥＰ１２０の第１面加工工程では、切断面のいずれか一方の一面１１０を支持面として、残る他面１２０にメカニカルポリッシュ（高精度研削加工）を施す。

具体的には、第１面加工工程では、メカニカルポリッシュを施すメカニカルポリッシュ装置５０（超高合成高精度研削加工装置）により、研削加工を行う。

メカニカルポリッシュ装置５０は、図３に示すように、スピンドル５１と、研削定盤であるプラテン５２とを備え、プラテン５２上にはダイアモンド研磨砥粒５３が設けられいる。プラテン５２は、研磨面に放射状の溝部が設けられた凹凸構造となっており、凸部は平面領域が凹溝よりも大きく、後述する摩擦に起因する温度上昇に寄与するように構成されている。

まず、ここで一面１１０を上面として、支持台であるスピンドル５１の吸着プレートである真空ポーラスチャック５４に吸着させて支持させ、他面１２０を下面として、ダイアモンド研磨砥粒５３により他面１２０を研削加工する。

このとき、スピンドル５１およびプラテン５２は、図示しない駆動装置により回転駆動されると共に、図示しないコンプレッサーなどによりスピンドル５１がプラテン５２に押圧されることにより残る他面１２０に研削加工が施される。

なお、研削加工後には、ドレッサーなどによりダイアモンド研磨砥粒５３へのドレッシングが施されてもよい。

また、メカニカルポリッシュ装置５０は、必要に応じて、加工時に複数の機能水を使用可能なように機能水供給配管を有してもよい。

次に、ＳＴＥＰ１３０の第２面加工工程では、第１面加工工程により、高精度研削加工が施された他面１２０を上面として、一面１１０に対して、第１面加工工程と同様の高精度研削加工を施す。

すなわち、他面１２０を上面として、スピンドル５１の吸着プレートである真空ポーラスチャック５４に吸着させ、一面１１０を下面として、ダイアモンド砥石５３により一面１１０を研削加工する。

この場合にも、必要に応じて、ドレッサーなどをダイアモンド砥石５３に押圧することによりドレッシングが施されてもよい。

かかるＳＴＥＰ１２０の第１面加工工程およびＳＴＥＰ１３０の第２面加工工程のメカニカルポリッシュ（高精度研削加工）処理において、本実施形態では、特に、図４に示すように、
（１）研削加工するダイアモンド研磨砥粒（ダイアモンド砥石）５３の粒径と、
（２）ウェハ１００をスピンドル５１を介してプラテン５２に押圧する押圧力と、
（３）スピンドル５１のプラテン５２に対する進行速度と
から、ウェハ１００のプラテン５２（研削定盤）側の表面に、プラテン５２との間でダイアモンド研磨砥粒５３が介在する摩擦に起因する温度上昇（例えば、７００℃以上融点未満）により塑性変形領域１００Ａを形成する。

すなわち、（１）研削加工するダイアモンド研磨砥粒５３の粒径（例えば、ＳｉＣウェハに対しては、♯１０００～５０００番、より好適には、♯１５００～４０００番）と、（２）ウェハ１００をスピンドル５１を介してプラテン５２に押圧する押圧力（通常の加重１００ｇ／ｃｍ２未満より大きな数百ｇ／ｃｍ２、例えば、ＳｉＣウェハでは、２００ｇ／ｃｍ２～８００ｇ／ｃｍ２）と、（３）スピンドル５１のプラテン５２に対する進行速度（ＳｉＣウェハでは、コンマ数μｍ～数十μｍ／ｍｉｎ）とをコントロールすることにより、ウェハ１００のプラテン５２側の表面に、積極的に塑性変形領域１００Ａを形成する。

なお、図中において中間領域１００Ｂは、塑性変形状態と元々のウェハ１００の状態（弾性状態）との中間状態となっている領域である。

このようにして形成されたウェハ１００表面の塑性変形領域１００Ａでは、塑性変形が無い状態での表面研磨とは異なり、ダイアモンド研磨砥粒５３により研削効率が格段に向上し、平坦度の高い鏡面仕上げを一回的に実現することができる。すなわち１次～４次の複数回のラップなど複雑な製造工程を大幅に簡略化することができる。

ここで、（３）スピンドル５１のプラテン５２に対する進行速度は、塑性変形領域の深さを超えないことが重要となる。

図５Ａに模式的に示すように、（３）スピンドル５１のプラテン５２に対する進行速度を、塑性変形領域１００Ａの深さを超えないようにコントロールすること、すなわち、常に、ウェハ１００の表面に塑性変形領域１００Ａを存在させ続けること（もちろん、塑性変形領域１００Ａの領域幅（塑性変形領域１００Ａの層の厚さであり、塑性変形領域１００Ａの深さと同義）を超えるようなダイアモンド研磨砥粒５３の粒径を採用しないことは前提である）で、塑性変形領域１００Ａを連続的に形成しながらダイアモンド研磨砥粒５３により平坦度の高い鏡面仕上げを一回的に実現することができる。

一方、図５Ｂに模式的に示すように、塑性変形領域１００Ａの領域幅を超えるようなダイアモンド研磨砥粒５３´の粒径を採用した場合（図中左側）や、スピンドル５１のプラテン５２に対する進行速度を、塑性変形領域１００Ａの深さを超えて進行させた場合（図中右側）には、亀裂の伝播などが生じ加工後には加工変質層があるウェハ１００´となってしまう。

このように、本実施形態の半導体結晶ウェハであるＳｉＣウェハの研削加工方法によれば、従来忌み嫌われていた塑性変形をウェハ表面の塑性変形メカニズムとして管理することで、より高い研削精度を実現することができる半導体結晶ウェハの研削加工方法を実際に提供することができる。

なお、本実施形態のＳｉＣウェハの研削加工方法によれば、研削加工後のウェハ１００は、平坦度の高い鏡面仕上げとなっているため、図６に示すように、ウェハ１００の鏡面同士を結晶結合（鏡面研磨された金属表面の強固な密着）により延長させることができる。

ここで、かかる結晶結合（鏡面研磨された金属表面の強固な密着）は、ウェハ１００に限定されるものではないため、結晶成長性が低く長尺のＳｉＣインゴットを得ることが困難な場合に、ＳｉＣインゴットに対して、その端面を上記研削加工方法により、鏡面に研削加工することで、鏡面に研削加工されたＳｉＣインゴットの端面同士を結合させて延長させることができる。

そして、このようにして得られたＳｉＣ延長インゴットに対して、ＳＴＥＰ１００～ＳＴＥＰ１３０の上記一連の加工処理を施すことで、ＳｉＣ延長インゴットから平坦度の高い鏡面仕上げを一回的に実現したＳｉＣウェハを得ることができる。

すなわち、単体のＳｉＣインゴットの端面同士を結合して延長するため、結晶自体の成長性に依存することなく、結合を繰り返すことで所望の長尺のインゴットを得ることができる。

さらに、ここでの結合は、高い平坦度の鏡面に研削加工された端面同士を結合させた結晶結合であるため、簡易でありながら強固な結合を実現することができる。そのため、長尺化させた当該ＳｉＣ延長インゴットからウェハを切り出す際にも、その形状を維持した状態から切り出しが可能となり加工性に優れたインゴットを得ることができる。

なお、ＳｉＣインゴットの端面同士を結合させて延長させるに際しては、単体のＳｉＣインゴットに、その側面を切り欠いたノッチを形成し、結合に際して、ノッチを合わせた状態で、鏡面に研削加工された端面同士を結合させて延長させることが好ましい。

これにより、結合させたＳｉＣインゴットの外径を揃えることができ、中心軸線にずれが無く外径寸法が揃ったＳｉＣ延長インゴットを得ることができる。

すなわち、結合して延長させた延長インゴットはその外径形状が揃っていることが加工性から望ましいところ、単体のＳｉＣインゴットの側面に一または複数のノッチを設けて、ノッチを合わせることで単体のＳｉＣインゴット同士を結合する際にその外径形状を合わせることができ、ひいては外径形状が揃ったＳｉＣ延長インゴットを得ることができる。

このように、ＳｉＣ延長インゴットおよびＳｉＣ延長インゴットの製造方法に応用することで、結晶の成長性に依存することなく長尺なインゴットを得ることができ、さらに、結晶の品質を維持しながら優れたより高い加工性を実現することができる。

また、本実施形態は、ＳｉＣウェハの研削加工方法として、ＳｉＣインゴットからＳｉＣウェハを製造する場合について説明したが、半導体結晶は、ＳｉＣに限定されるものはなく、ガリヒソ、インジュウムリン、シリコン、その他の化合物半導体であってもよい。

５０…メカニカルポリッシュ装置（超高合成高精度研削加工装置）、５１…スピンドル（支持台）、５２…プラテン（研削定盤）、５３…ダイアモンド研磨砥粒、５４…真空ポーラスチャック（吸着プレート）、１００…ＳｉＣウェハ（半導体結晶ウェハ）、１１０…一面、１２０…他面。

Claims (2)

1. 筒状に研削加工された単体のＳｉＣインゴットを軸方向に接合させて延長させたＳｉＣ延長インゴットの製造方法において、
   前記単体のＳｉＣインゴットに対して、その端面を鏡面に研削加工する研削加工工程と、
   前記研削加工工程により鏡面に研削加工された前記ＳｉＣインゴットに対して、端面同士を結合させる結合工程と
   を備えて、前記結合工程により前記単体のＳｉＣインゴットを軸方向に延長させるＳｉＣ延長インゴットの製造方法であって、
   前記研削加工工程は、
   （１）研削加工するダイアモンド砥石の粒径と、
   （２）前記ＳｉＣインゴットを支持台を介して研削盤に押圧する押圧力と、
   （３）前記支持台の前記研削盤に対する進行速度と
   から、前記ＳｉＣインゴットの研削盤側の表面に、前記研削盤との間で前記ダイアモンド砥石が介在する摩擦に起因する温度上昇により塑性変形領域を形成する際に、
   前記ダイアモンド砥石の粒径が該塑性変形領域の領域幅を超えるような粒径を採用せず、且つ、前記進行速度は連続的に形成される該塑性変形領域の深さを超えないようにすることを特徴とするＳｉＣ延長インゴットの製造方法。
2. 請求項１記載のＳｉＣ延長インゴットの製造方法において、
   前記単体のＳｉＣインゴットは、その側面を切り欠いたノッチを有し、
   前記結合工程では、前記ＳｉＣインゴット同士は、前記ノッチを合わせた状態で、鏡面に研削加工された端面同士が結合することにより延長されてなることを特徴とするＳｉＣ延長インゴットの製造方法。

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