KR100728891B1 - 실리콘 단결정 잉곳 절단장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳 절단장치 Download PDF

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Abstract

실리콘 단결정 잉곳 절단장치가 개시된다. 개시된 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는, 회전하는 다수개의 워크롤러에 공급되면서 고속으로 배출되는 와이어에 의해 실리콘 단결정 잉곳이 절단되도록 상기 워크롤러에는 상기 와이어를 감기 위한 와이어 홈이 형성된 실리콘 단결정 잉곳의 절단 장치에 있어서, 상기 와이어 홈은, 상기 실리콘 단결정 잉곳 절단 중 고속으로 이동되는 상기 와이어의 위치를 안정적으로 유지시키기 위해 상기 와이어와 상기 실리콘 단결정 잉곳과의 접촉에 의한 마모를 감안하여 상기 와이어가 공급되는 부분에서 배출되는 부분으로 가면서 점차적으로 그 깊이가 더 얕게 형성된 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 절단 중의 왜곡의 발생을 최소화시킬 수 있고, 폴리시드 웨이퍼에서의 왜곡 값을 낮출 수 있으며, 가공 불량으로 인한 제품손실을 줄일 수 있고, 반도체 제조공정에서의 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
왜곡(warp), 웨이퍼, 실리콘 단결정 잉곳

Description

실리콘 단결정 잉곳 절단장치{APPARATUS FOR CUTTING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}
도 1a는 종래의 기술에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 1b는 도 1a의 롤러 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 롤러 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 3a는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 3b는 도 3a의 워크롤러의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 워크롤러의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 5는 도 3b 및 도 4의 워크롤러의 요부를 보다 상세하게 나타내 보인 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
21,22,23,31. 워크롤러
21a,31a. 와이어 홈
24. 와이어
26. 부착대
25. 실리콘 단결정 잉곳
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 절단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 단결정 잉곳 절단 시 왜곡(warp)이 최소화되도록 개선된 실리콘 단결정 잉곳 절단장치에 관한 것이다.
실리콘 단결정 잉곳의 성장(growth) 공정이 완료된 후에는 실리콘 단결정 잉곳을 웨이퍼로 제조하기 위하여 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 낱장 단위로 절단하는 슬라이싱 공정(slicing process)이 진행된다.
이러한 슬라이싱 공정 중 피아노 와이어 또는 고장력 와이어를 이용한 와이어 소(WS; Wire Saw) 방식은, 잉곳을 동시에 여러 개의 웨이퍼로 절단할 수 있어 단위 시간당 생산 수율을 향상시킬 수 있기 때문에 현재 널리 쓰이고 있는 절단 방법이다.
종래의 와이어 소(WS) 방식의 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는, 와이어가 연쇄적으로 감겨져 있는 세 개의 롤러가 설치되어 있고, 이들 롤러가 고속으로 회전하면서 와이어가 고속으로 왕복 또는 한쪽 방향으로 슬러리를 묻혀 이동되며, 이 때, 부착대에 의해 고정된 실리콘 단결정 잉곳이 프로그램된 속도로 롤러 사이의 와이어 부분으로 내려와 부착대에 부착되지 않은 외주연부터 내측으로 절단된다.
이러한 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 롤러가 도 1a에 도시되어 있다.
도 1a를 참조하면, 에 도시된 바와 같이, 와이어(130)가 연쇄적으로 감겨져 있는 세 개의 롤러(100a,100b,100c)가 고속으로 회전을 하면서 와이어(130)가 고속으로 슬러리를 묻혀 이동되며, 부착대(220)에 의해 고정된 실리콘 단결정 잉곳(210)이 롤러(100a,100b) 사이의 와이어(130) 부분으로 내려와 부착대(220)에 부착되지 않은 외주연부터 내측으로 절단된다.
그리고 도 1b에 도시된 바와 같이, 세 개의 롤러(100a,100b,100c)에는 와이어(130)를 감기 위한 와이어 홈(120)이 형성되어 있으며, 이 와이어 홈(120)은 제조하고자 하는 웨이퍼의 두께에 따라서 일정한 간격(D1,D2,D3,D4,...,Dn)을 유지하며 형성되어 있다. 이 상태에서 롤러(100a,100b,100c)의 회전에 의해서 와이어(130)가 와이어 배출 부분(B)으로 이동하면서 감겨져 배출된다.
또한 상기 와이어 공급 부분(A)에서는 새로운 와이어가 공급되며, 이러한 과정을 통하여 와이어(130)와 실리콘 단결정 잉곳(210)의 마찰에 의하여 실리콘 단결정 잉곳(210)이 절단된다.
그런데, 이와 같은 롤러(100a,100b,100c)에 형성되어 있는 와이어 홈(120)은 제조하고자 하는 웨이퍼의 두께만큼 일정한 간격(D1,D2,D3,D4,...,Dn)으로 균등하게 형성되어 있으므로, 슬라이싱(slicing)되어진 웨이퍼의 두께는 와이어(130)의 마모량에 따라서 롤러의 중간 부분을 거쳐서 와이어 배출 부분으로 갈수록 더욱 두꺼워진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 2와 같이 세 개의 롤러(300a,300b,300c)에 형성된 와이어 홈(320)의 간격이 실리콘 단결정 잉곳의 절단에 따른 와이어의 마모량에 따라 와이어가 공급되어 배출되는 방향으로 차등(D'1,D'2,D'3,D'4,...,D'n)을 두어 좁게 형성하였다.
이 때 상기와 같은 와이어 홈(120,320)의 깊이는 보통 0.2~0.4mm를 적용하고 있다.
이에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 절단시 와이어(130)의 마모량에 의한 웨이퍼의 두께 편차를 줄여 균일한 두께의 웨이퍼를 제조할 수 있게 되었다. 상기한 기술은 한국 등록특허 0445192호에 기재되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 방식으로 실리콘 단결정 잉곳을 절단할 때에는 후공정인 래핑, 에칭, 폴리싱을 거치면서 폴리시드(Polished) 웨이퍼 표면의 벌크(Bulk) 특성인 왜곡 수준이 줄어들지 않고 그대로 유지되는 문제점이 있다.
그리고 종래의 와이어를 이용한 와이어 절단 시는 와이어의 마모에 의한 영향을 별도의 절단조건에 반영하지 않음에 따라 절단 중에 발생하는 왜곡이 발생하게 된다.
이러한 왜곡 값은 후공정인 래핑, 에칭, 편면 연삭 또는 양면 연삭, 편면 또는 양면 폴리싱을 거친 후에는 개선이 되지 않아 폴리시드 웨이퍼에서 불량이 발생하거나 에피 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)공정을 거치며 더욱 값이 커져 손실로 되기도 하며, 반도체 공정에서도 부적합한 왜곡으로 반도체에서의 불량발생 또는 품질을 열화시킬 수 있다.
또한 에피공정이나 백실(Backseal)(CVD) 공정에서는 보통 왜곡과 휨(bow) 값이 크거나 작게 악화되는 현상을 보이고 있음에 따라 초기 절단시 왜곡을 안정되게 확보하는 것이 더욱 중요해지고 있다. 따라서 왜곡은 실리콘 단결정 잉곳을 절단하는 초기조건에 결정되어 후에는 개선하는 것이 불가능함에 따라 절단조건에 최적의 가공조건을 찾아야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 와이어의 마모량을 감안하여 롤러의 와이어 홈 깊이를 와이어가 마모되는 쪽에는 적게 성형하여 실리콘 단결정 잉곳의 슬라이싱 공정에서 왜곡을 개선하기 위한 최적조건이 되도록 한 실리콘 단결정 잉곳 절단장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는, 회전하는 다수개의 워크롤러에 공급되면서 고속으로 배출되는 와이어에 의해 실리콘 단결정 잉곳이 절단되도록 상기 워크롤러에는 상기 와이어를 감기 위한 와이어 홈이 형성된 실리콘 단결정 잉곳의 절단 장치에 있어서, 상기 와이어 홈은, 상기 실리콘 단결정 잉곳 절단 중 고속으로 이동되는 상기 와이어의 위치를 안정적으로 유지시키기 위해 상기 와이어와 상기 실리콘 단결정 잉곳과의 접촉에 의한 마모를 감안하여 상기 와이어가 공급되는 부분에서 배출되는 부분으로 가면서 점차적으로 그 깊이가 더 얕게 형성된 것을 그 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설 명하기로 한다.
도 3a에는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는, 와이어(24)가 연쇄적으로 감겨져 있는 세 개의 워크롤러(21,22,23)가 설치되어 있고, 세 개의 워크롤러(21,22,23)가 고속으로 회전을 하면서 와이어(24)가 고속으로 왕복 또는 한쪽 방향으로 슬러리를 묻혀 이동된다.
이 때, 부착대(26)에 의해 고정된 실리콘 단결정 잉곳(25)이 프로그램된 속도로 워크롤러(21,23) 사이의 와이어(24) 부분으로 내려와 부착대(26)에 부착되지 않은 외주연부터 내측으로 절단된다.
그리고 상기 와이어(24)는 워크롤러(21,22,23)의 와이어 공급 부분(A)부터 워크롤러(21,22,23)의 중간 부분을 거쳐 와이어 배출 부분(B)까지 와이어(24)가 연쇄적으로 감겨져 있다. 이 상태에서 워크롤러(21,22,23)의 회전에 의해서 와이어(24)가 와이어 배출 부분(B)으로 이동하면서 감겨져 배출된다.
이 때, 상기 와이어 공급 부분(A)에서는 새로운 와이어(24)가 공급되며, 이러한 과정을 통하여 와이어(24)와 실리콘 단결정 잉곳(25)의 마찰에 의하여 실리콘 단결정 잉곳(25)이 절단된다.
그리고 본 발명의 특징부를 이루는 것으로, 상기한 바와 같이, 회전하는 다수개의 워크롤러(21,22,23)에 공급되면서 고속으로 배출되는 와이어(24)에 있어서, 상기 워크롤러(21,22,23)에는 와이어(24)를 감기 위한 와이어 홈(21a)이 형성된다. 이 때, 상기 실리콘 단결정 잉곳(25) 절단 중 고속으로 이동되는 와이어(24)의 위치를 안정적으로 유지시키기 위해 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 와이어(24)가 공급되는 부분에서부터 배출되는 부분으로 가면서 점차적으로 와이어 홈(21a)의 깊이가 더 얕게 형성된다.
즉, 상기 와이어 홈(21a)은 와이어와 실리콘 단결정 잉곳(25)과의 접촉에 의한 마모를 감안하여, 이 마모가 되는 부분에서 더 얕게 형성시킨다.
보다 구체적으로는, 상기 와이어 홈(21a)의 깊이의 차이는, 한국 등록특허 0445192호에 기재된 바와 같이, 8" 잉곳에 대하여 140um 굵기의 와이어를 사용하여 절단할 경우 와이어의 마모량은 잉곳 깊이, 와이어 평균속도, 새 와이어 공급 속도, 새와이어 공급속도와 잉곳의 직경을 변화시켜가면서 실험한 경우 최소 5um이고, 최대 11.4 um 인 점을 고려할 때 전체 와이어의 굵기 140um에 대한 마모량은 3.5% 내지 8%임을 알 수 있다.
또한, 이와 같은 실험에 근거한 비례식을 고려할 때, 일반적으로 사용되는 12" 잉곳은 8" 잉곳에 대하여 1.5배 정도가 더 많이 마모 될 수 있음을 알 수 있는 바, 최대 마모량도 12% 정도 증가함으로 할 수 있다.
한편, 이러한 마모량은 실리콘 잉곳에 대한 값이지만 Si 보다 무른 재질의 잉곳에 대해서는 상대적으로 와이어의 마모가 더 적을 것이며 반대로 Si 보다 더 단단한 재료에 대해서는 상기 와이어의 마모량은 더 증가됨을 알 수 있다.
이에 따르면 대략 최대 마모량이 20um 정도가 될 것인 바, 상기 와이어의 마모량의 최소값과 최대값을 비로써 표현하여 아래의 수학식 1이 형성된다.
와이어 홈의 깊이 = 와이어 마모량 × 5∼20
상기한 수학식 1 에 따르면, 와이어 홈(21a)의 깊이가 0.5∼100㎛ 단위로 순차적으로 깊어짐을 알 수 있다.
또한 상기 와이어 홈(21a)의 단면은, 와이어(24)가 와이어 홈(21a)에서 상기한 바와 같이 고속으로 이동되는 와이어(24)의 위치가 안정적으로 유지되도록 삼각형 모양으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 삼각형의 각도는 도 5에 도시된 바와 같이, 경험 값으로 90°± 10° 범위로 하는 것이 바람직하며, 본 발명이 상기한 각도 값으로 한정되지는 않는다.
그리고 도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치에서는, 상기 워크롤러(21,22,23)를 3개를 실시예로 하였으나, 이에 한정되지 않고, 2∼4개의 워크롤러를 적용할 수 있다.
또한 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 와이어 홈(21a)의 간격[피치(pitch)]은, 와이어(24)가 공급되어 배출되는 방향(A→B)으로 차등을 두어 좁게 형성된다. 즉, P1≠P2≠P3≠‥‥‥≠Pn으로 한다.
구체적으로는, 1피치(pitch) 당 약 0.1㎛∼10㎛씩 좁아지도록 와이어 홈(21a)의 간격을 차등을 두며 형성한다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 절단장치의 워크롤러(31)에 와이어 홈(31a)의 간격을, 동일한 피치로 형성되도록 한다. 즉, P1＝P2＝P3＝‥‥‥＝Pn으로 한다.
이와 같이 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치에서는 와이어 홈(21a, 31a)의 피치 간격에 관계없이 모두 적용될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는, 상기 실리콘 단결정 잉곳(25)의 절단을 위해 예컨대, 피아노 와이어를 사용하고, 도 4와 같이 상기 와이어 홈(31a)을 일정한 간격(Pitch)으로 형성한 워크롤러(31), 또는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 와이어 홈(21a)의 간격이 가변되는 간격으로 형성한 워크롤러(21,22,23)에 와이어(24)를 감는다.
그리고, 상기 와이어(24)가 고속으로 왕복 또는 한쪽 방향으로 슬러리를 묻혀 이동되며, 실리콘 단결정 잉곳(25)이 프로그램된 속도대로 내려와 절단되어 웨 이퍼가 박판 형태로 절단된다.
이와 같은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는, 종래의 방식대로 실리콘 단결정 잉곳을 절단할 때에는 후공정인 래핑, 에칭, 폴리싱 공정을 거치면서 폴리시드(Polished) 웨이퍼 표면의 벌크(Bulk) 특성인 왜곡의 수준이 줄어들지 않고 그대로 유지됨에 따라 이 왜곡 값을 줄여 반도체 공정에서 폴리쉬드 웨이퍼가 사용될 때 거둘 수 있는 칩의 양을 늘이게 되어 결국 수율이 증가되도록 한 것이다.
즉, 전술한 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳의 초기 절단시 왜곡을 안정되게 확보하는 것이 더욱 중요해지고 있어, 이 왜곡은 실리콘 단결정 잉곳을 절단하는 초기조건에 결정되어 후에는 개선하는 것이 불가능하다. 따라서 절단조건에 최적의 가공조건을 찾아야 하며, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는, 슬라이싱 공정에서 왜곡의 개선을 위한 최적조건을 찾은 것이다.
이를 구체적으로 설명한다.
종래에는 실리콘 단결정 잉곳(210)의 절단을 위해 롤러(100a,100b,100c)에 감겨서 절단시 사용되는 와이어(130)의 마모량을 감안하지 않고 롤러(100a,100b,100c)의 깊이를 일정하게 적용(도 1 참조)하였다.
그러나 이 때, 실리콘 단결정 잉곳(25) 절단 중에 고속으로 왕복 또는 일 방향으로 고속으로 이동되는 와이어(24)가 실리콘 단결정 잉곳(25)과의 접촉으로 인한 마모가 발생한다.
따라서 마모되는 와이어(24)의 직경을 감안하여 워크롤러(21,22,23)의 와이 어 홈(21a)의 깊이를 더 얕게 하면, 워크롤러(21,22,23)의 와이어 홈(21a) 내에서의 와이어(24)의 위치(또는 자세)를 더욱 안정적으로 유지할 수 있게 되어 절단 중의 와이어(24)의 불안정한 유지로 인한 왜곡의 발생을 감소시킬 수 있게 된다.
하나의 실시예로써, 상기 와이어(24)의 직경은 보통 절단하는 실리콘 단결정 잉곳(25)의 길이에 따라 차이가 있으나, 예컨대, 0.14mm 와이어(그 외에도 0.12, 0.15, 0.18mm 등 다양한 굵기의 와이어가 있음)의 경우, 절단 후 10㎛ 전후의 마모를 보이고 있으며, 이러한 마모량을 감안하여 워크롤러(21,22,23)의 와이어 홈(21a)의 깊이를 더 얕게 가공하여 절단에 적용하면, 와이어(24)가 절단 중에 더 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서 왜곡의 품질을 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
실리콘 단결정 잉곳을 절단하는 와이어의 마모량에 따라 와이어 홈의 깊이를 더 얕게 형성함으로써 절단공정에서 와이어의 자세를 안정적으로 유지시킬 수 있어 절단 중의 왜곡의 발생을 최소화시킬 수 있다.
그리고 상기와 같이 왜곡을 개선할 수 있어 폴리시드 웨이퍼에서의 왜곡 값을 낮출 수 있고, 가공 불량으로 인한 제품손실을 줄일 수 있으며, 에피나 백실(Backseal) 공정에서 보통 왜곡이 악화되는 경향이 있는데 이것을 감안하여 왜곡 값을 최소화하여 공급할 수 있고, 반도체 제조공정에서의 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 회전하는 다수개의 워크롤러에 공급되면서 고속으로 배출되는 와이어에 의해 실리콘 단결정 잉곳이 절단되도록 상기 워크롤러에는 상기 와이어를 감기 위한 와이어 홈이 형성된 실리콘 단결정 잉곳의 절단 장치에 있어서,
    상기 와이어 홈은,
    상기 실리콘 단결정 잉곳 절단 중 고속으로 이동되는 상기 와이어의 위치를 안정적으로 유지시키기 위해 상기 와이어와 상기 실리콘 단결정 잉곳과의 접촉에 의한 마모를 감안하여 상기 와이어가 공급되는 부분에서 배출되는 부분으로 가면서 그 깊이가 더 얕게 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 홈의 깊이 차이는, 아래의 수학식 1에 따라 형성시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
    [수학식 1]
    와이어 홈의 깊이 = 와이어 마모량 × 5∼20
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와이어 홈의 깊이를 0.5∼100㎛ 단위로 순차적으로 적용하는 것을 특징 으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 홈의 단면이 삼각형 모양으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 삼각형의 각도는 90°± 10°인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 워크롤러는 2∼4개를 적용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 홈의 간격은, 동일한 피치로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 홈의 간격은, 상기 와이어가 공급되어 배출되는 방향으로 차등 을 두어 좁게 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 와이어 홈의 차등 간격은,
    상기 1피치(pitch) 당 0.1㎛∼10㎛씩 좁아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 절단장치.
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JPH11277402A (ja) 1998-03-27 1999-10-12 Okamoto Machine Tool Works Ltd ワイヤーソウによるインゴッドの切断方法

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