KR101064266B1

KR101064266B1 - 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법

Info

Publication number: KR101064266B1
Application number: KR1020110031071A
Authority: KR
Inventors: 김형재; 조형호; 김성렬; 이영철; 이상직
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2011-09-14

Abstract

본 발명의 목적은 사파이어 잉곳을 와이어소로써 절단하여 사파이어 웨이퍼를 제조함에 있어서, 사파이어 잉곳을 회전시킴과 동시에 결정축에 직각인 평면에 대하여 소정각도 기울어지게 절단할 수 있는 사파이어 잉곳의 절단방법을 제공하는 것이다. 이에 따라, 본 발명은 절단와이어의 열(列)이 형성된 와이어소(wire saw)에 의해 사파이어 잉곳이 절단되는 방법에 있어서, 결정축을 가진 기둥형상의 사파이어 잉곳이 준비되고 상기 잉곳의 길이방향의 양측면에 글래스(glass)부재 또는 세라믹부재가 부착되는 1단계; 상기 1단계 후, 양측의 상기 글래스부재 또는 세라믹부재의 외면에 양측 부착부가 부착되어 상기 잉곳이 고정되되, 상기 부착부에 연결된 스핀들의 회전축과 상기 결정축이 소정각도(α)를 이룬 상태에서 상기 잉곳이 고정되는 2단계; 및, 상기 2단계 후, 상기 스핀들이 회전됨으로써 회전하는 상기 잉곳을 상기 절단와이어에 절입시켜 상기 잉곳이 다수의 웨이퍼의 형상으로 절단이 진행되는 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법{Sapphire ingot cutting method using wire saw}

본 발명은 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 사파이어 잉곳을 회전시킴과 함께 와이어소에 절입하여 사파이어 웨이퍼를 제조하는 절단방법에 관한 것이다.

사파이어 웨이퍼는 엘이디(LED) 등의 소자를 제조하는 데 필수적으로 이용되는 것으로, 단결정으로 제조된 사파이어 잉곳을 주로 와이어소(wire saw)를 이용하여 절단가공하고 있다.

단결정 사파이어 웨이퍼를 엘이디(LED) 제조에 활용하기 위해서는 표면에 GaN(질화갈륨)결정을 설정시킬 필요가 있고, GaN결정을 성장시키기 위해서는 사파이어 결정축에 직각인 면, 즉 C면에 대하여 0.01°내지 2.0° 정도 바람직하게는 0.2~0.3°로 경사지게 웨이퍼를 제조하는 방식이 행해지고 있다. 이는 경사지지 않은 사파이어 단결정 표면의 C면상에 GaN결정을 성장시키면, GaN결정은 결정결함이 많고 표면도 요철을 보이는 결정으로 성장하기 때문이고, 사파이어 단결정의 표면을 C면에 대해 상기 각도로 경사지게 한 단결정 사파이어 기판에서는 결정 결함이 적고 표면도 평탄한 GaN결정을 얻을 수 있다. 상기와 같이 경사지게 제조된 사파이어 기판의 표면은 미세한 스텝 형상의 요철로 형성되고 그 스텝 형상의 규칙성이 높을수록 기판상에 양호한 GaN결정을 얻을 수 있다.

따라서, 사파이어잉곳을 절단하여 웨이퍼를 제조하는 경우, 와이어소의 절단와이어가 사파이어 결정의 C면에 대하여 상기 소정각도로 경사진 면을 따라 절단하고 있었다.

한편, 와이어소에 의해 사파이어 잉곳을 절단하는 작업은 오랜 시간과 긴 길이의 절단와이어에 의해 진행되는 것으로, 가공 중 절단와이어가 끊어지면 가공되던 잉곳 및 가공작업이 더 이상 진행될 수 없고 고가의 잉곳과 절단와이어가 폐기됨으로서 비용과 시간에 막대한 손실이 발생한다.

그러나, 잉곳(1)을 절단와이어(2)에 의해 슬라이싱함에 있어서, 도 1과 같이, 절단깊이가 깊어지면 절단되는 잉곳의 폭(b)이 늘어나고 절단와이어(2)와 잉곳(1)의 접촉길이가 길어진다. 이에 따라, 절단와이어(2)를 이송하는 부하가 커짐으로써 단선위험이 높아지고, 절단와이어(2)가 잉곳(1)과 접촉하는 부위가 넓어 접촉압력도 분산되어 가공속도가 떨어진다.

도 2는 잉곳을 절단한 깊이에 관계없이 잉곳과 와이어가 점접촉에 가까운 접촉(실질적으로 점접촉이 아니나 접촉영역이 현저히 감소함)을 유지할 수 있도록 개발된 와이어소를 도시하고 있다.

상기 와이어소는 사파이어잉곳(1)이 지지대에 고정된 상태에서 절단와이어(2)가 잉곳의 주위를 소정의 각도만큼 반복적으로 선회하여 잉곳을 절단하도록 구성된다.

이에 따라, 도 3과 같이 절단와이어(2)와 잉곳(1)의 접촉부위가 그 깊이에 따라 변하지 않고 접촉영역이 매우 작은 상태를 일정하게 유지할 수 있다.

그러나, 상기와 같은 구성은 절단와이어(2)를 지지하는 롤러(3,4)와 절단와이어(2)를 선회구동시키는 장치(5)가 대형화됨으로써 잉곳을 절단하는 정밀도가 떨어진다. 또한, 절단이 진행됨에 따라 사파이어 잉곳이 길이방향으로 열팽창됨으로써 절단작업 초기의 절단위치와 절단작업 후기의 절단위치의 변화에 따른 오차 즉 보우(Bow)오차가 개선되지 않고 여전히 발생하고 있다.

상기와 같은 문제점을 고려할 때, 사파이어 잉곳을 회전시킴과 동시에 와이어소의 절단와이어에 사파이어 잉곳을 절입하는 방식의 절단방법이 적합할 것이나, 전술한 바와 같이, 절단와이어가 사파이어 잉곳을 절단하는 방향이 결정축에 대하여 직각이 아니라 결정축에 직각인 c면에 대하여 소정각도만큼 경사지는 면이 생성되도록 절단되어야 하므로 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단 시 사파이어 잉곳을 회전시키는 방식을 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 사파이어 잉곳을 와이어소에 의해 절단하여 사파이어 웨이퍼를 제조함에 있어서, 사파이어 잉곳을 회전시킴과 동시에 결정축에 직각인 평면에 대하여 소정각도 기울어지게 절단할 수 있는 사파이어 잉곳의 절단방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 절단와이어의 열(列)이 형성된 와이어소(wire saw)에 의해 사파이어 잉곳이 절단되는 방법에 있어서, 결정축을 가진 기둥형상의 사파이어 잉곳이 준비되고 상기 잉곳의 길이방향의 양측면에 글래스(glass)부재 또는 세라믹부재가 부착되는 1단계; 상기 1단계 후, 양측의 상기 글래스부재 또는 세라믹부재의 외면에 양측 부착부가 부착되어 상기 잉곳이 고정되되, 상기 부착부에 연결된 스핀들의 회전축과 상기 결정축이 소정각도(α)를 이룬 상태에서 상기 잉곳이 고정되는 2단계; 및, 상기 2단계 후, 상기 스핀들이 회전됨으로써 회전하는 상기 잉곳을 상기 절단와이어에 절입시켜 상기 잉곳이 다수의 웨이퍼의 형상으로 절단이 진행되는 3단계;를 포함하되, 상기 사파이어 잉곳은 길이방향과 결정축 방향이 동일하고, 상기 2단계에서, 상기 잉곳의 양측면에 부착된 상기 글래스부재 또는 세라믹부재의 외면이 각각 상기 결정축에 직각인 평면에 대하여 상기 소정각도(α)의 경사진 평면으로 서로 평행하게 그라인딩된 후, 그 그라인딩된 양측 외면에 상기 양측 부착부가 부착되는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기에서 소정각도는 0.01 ~ 2°로 설정하고, 상기 배열된 다수의 절단와이어(22)는 양측의 상기 글래스부재 또는 세라믹부재까지 절단하는 폭으로 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 잉곳이 상기 절단와이어의 상측에 위치하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기 3단계에서, 상기 잉곳이 설정깊이로 절단된 후에는 상기 잉곳을 웨이퍼파지수단에 부착시키고, 상기 스핀들의 회전을 정지시킨 상태에서 절단와이어(22)에 절입시켜 절단을 완료하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

상기 구성에서 잉곳은 왁스에 의해 상기 웨이퍼파지수단에 부착되고, 상기 설정깊이는 상기 잉곳 지름의 70~95%가 절단된 상태의 깊이인 것이 바람직하다.

전술한 구성들의 상기 사파이어 잉곳은 원기둥형상인 것이 또한 바람직하다.

다른 관점에서 본 발명은, 절단와이어의 열(列)이 형성된 와이어소(wire saw)에 의해 사파이어 잉곳이 절단되는 방법에 있어서, 길이방향과 결정축 방향이 0.01 ~ 2°의 각을 이루는 기둥형상의 사파이어 잉곳이 준비되고 상기 잉곳의 길이방향의 양측면에 글래스부재 또는 세라믹부재가 부착되는 1단계; 상기 1단계 후, 양측의 상기 글래스부재 또는 세라믹부재의 외면에 양측 부착부가 부착되되 상기 부착부에 연결된 스핀들의 중심축과 상기 길이방향이 일치된 상태로 상기 잉곳이 고정되는 2단계; 및, 상기 2단계 후, 상기 스핀들이 회전됨으로써 회전하는 상기 잉곳을 상기 절단와이어에 절입시켜 상기 잉곳이 다수의 웨이퍼의 형상으로 절단이 진행되는 3단계;를 포함하되, 상기 2단계에서, 상기 잉곳의 양측면에 부착된 상기 글래스부재 또는 세라믹부재의 외면이 그라인딩되어 상기 부착부가 부착되는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 잉곳을 회전시키면서 구동되는 와이어에 절입하여 잉곳을 절단하는 방법이므로 잉곳과 와이어의 접촉면적이 잉곳의 깊이 변화에 따라 증가하지 않고 점접촉에 가까운 접촉상태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 와이어의 단선위험이 작고 절단작업이 안정적으로 진행될 수 있다.

둘째, 본 발명은 사파이이어잉곳이 회전하면서 절입되는 과정에서도 절단와이어가 사파이어 잉곳을 c면에 대하여 소정각도 경사지게 절단할 수 있도록 한다. 즉, 예비작업에 의해 사파이어 잉곳의 양측에 부착된 글래스부재 또는 세라믹부재의 외면이 경사지게 가공됨으로써 사파이어잉곳이 절단될 경사각이 유지된 상태에서 스핀들에 고정된 상태가 될 수 있다. 이에 따라, 사파이어 잉곳이 회전하면서 절단와이어에 절입됨으로써 잉곳의 c면에 대하여 소정각도 경사지게 절단될 수 있다.

셋째, 본 발명은 사파이어잉곳의 절단이 완료되기 전에 웨이퍼파지장치가 잉곳을 미리 파지함으로써 절단이 완료된 후 제조된 웨이퍼가 낙하하는 것을 방지한다.

도 1은 절단와이어와 잉곳의 절단깊이에 따른 접촉영역을 설명하는 설명도
도 2는 종래 사파이어잉곳을 절단하는 와이어소의 구성도
도 3은 도 1의 와이어소의 절단작용의 설명도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사파이어 잉곳을 절단하는 와이어소장치의 정면도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 사파이어 잉곳을 절단하는 와이어소장치의 측면도
도 6은 사파이어잉곳을 예비작업하는 과정을 도시하는 작업순서도
도 7은 사파이어 잉곳의 그라인딩을 위해 각도조절이 가능한 홀더에 잉곳이 고정된 상태도
도 8은 도 6에서 예비작업된 사파이어잉곳을 와이어소장치의 스핀들에 장착하여 절단하는 과정을 설명하는 작업순서도
도 9는 사파이어 잉곳의 길이방향과 결정축의 방향이 일정각도(β)로 경사져 있는 경우의 예비작업 및 절단작업설명도
도 10은 사파이어 잉곳의 길이방향인 중심축과 결정축이 0.01 ~ 2°를 이루고 있는 경우의 작업상태도

본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 사파이어 잉곳(10)을 절단하기 위한 가장 바람직한 와이어소(wire saw) 장치의 정면도와 측면도의 구성을 도시하고 있다.

도 4 및 도 5를 참고하면, 와이어소 장치는 잉곳(10)을 절단하는 절단와이어장치(20)와, 사파이어 잉곳(10)을 회전시키는 잉곳회전장치(30)와, 사파이어 잉곳(10)을 절단와이어(22)로 절입시키는 잉곳절입장치(40)와, 잉곳(10)이 절단되어 생성되는 웨이퍼를 파지하는 웨이퍼파지장치(50)를 포함한다.

상기 절단와이어장치(20)는 절단와이어(22)를 지지하는 롤러(23)가 설치되고 절단와이어(22)가 다수회 권회되어 있다. 절단와이어(22)는 하나의 와이어가 양측의 롤러(23)에 소정간격으로 반복하여 감김으로써 평행한 다수의 와이어 배열이 형성된다. 다수의 와이어 사이의 너비는 잉곳(10)이 절단되어 생성되는 웨이퍼의 두께를 결정한다.

상기 잉곳회전장치(30)는 잉곳(10)을 장착하여 회전시키는 부분으로, 전동기(33)에 연결되어 회전하는 스핀들(34)이 설치되고 스핀들(34)의 선단에는 부착부(31)가 설치된다. 부착부는 잉곳(10)이 설치되는 양측에 설치되고, 잉곳(10)의 양측면에 부착되는 수직의 평면이 각각 형성되어 잉곳(10)을 지지한다. 양측 부착부(31,32) 중 전동기와 연결되지 않은 측의 부착부(32)가 전후진 가능하도록 구성하여 잉곳(10)의 장착 및 탈착이 가능하도록 하고, 스핀들(34)은 전동기(33)의 회전력에 의해 회전하여 잉곳(10)이 회전되도록 한다. 양측 부착부(31,32)가 모두, 서로 연동되는 스핀들에 각각 설치되어 양측에서 회전력이 동시에 발생하도록 구성하는 것도 물론 가능하다. 상기 잉곳(10)의 회전방향은 절단와이어(22)의 이송방향과 반대방향이 되도록 함으로써 상대속도를 높여 절삭속도를 높이는 것이 바람직하다. 상기 양측 부착부(31,32)의 중심축은 모두 스핀들(34)의 회전축과 일치하도록 설치된다.

미설명된 도면부호 24 및 39는 각각 롤러(23)의 축과 스핀들(34)을 지지하는 베어링이다.

상기 잉곳절입장치(40)는 잉곳(10)을 와이어에 접촉시켜 절단이 진행되도록 하부로 이송시키는 부분이다. 잉곳절입장치(40)는 절단와이어장치(20)의 상부에 설치되고, 상기 잉곳회전장치(30) 및 웨이퍼파지장치(50)가 설치되어 있는 상부프레임(41)과, 상부프레임(41)을 하부로 이송시키는 전동기(42)와 이송스크류바(43)로 구성된다. 전동기의 회전에 의해 이송스크류바(43)가 회전하면서 그것에 이송너트로 결합된 상부프레임(41)이 잉곳(10)을 절입하는 설정된 속도에 따라 미소량씩 이송되도록 구성된다.

상기 웨이퍼파지장치(50)는 상기 상부프레임(41)에 설치되는 것으로, 웨이퍼의 형태로 절단되는 잉곳(10)의 절단이 완료된 후 웨이퍼를 최종적으로 파지하고 있는 부분이다.

상기 웨이퍼파지장치(50)는 파지대(52)와 상하이송장치(53)로 구성된다. 파지대(52)에는 파지대(52) 표면에 소정두께로 코팅된 왁스(55)에 의해 웨이퍼가 완성되기 전의 잉곳(10)이 접착되게 된다. 따라서, 파지대(52)에는 왁스(55)를 녹이기 위한 히터(56)가 설치되고, 히터(56)에 의해 녹은 왁스(55)가 잉곳(10)의 상부표면을 붙잡는 접착제 역할을 하게 된다. 또한, 상기 파지대(52)는 소정각도로 경사진 잉곳(10)의 상부면과 접촉하여 파지할 것이므로 잉곳(10)과 접촉하는 면은 스핀들(34)의 회전축에 대하여 소정각도(α)로 경사진 상태인 것이 바람직하다. 그러한 경사진 상태가 형성되지 않더라도 후술하는 완충스프링(54)에 의해 실리더로더와 파지대(52)가 연결될 경우 파지대(52)에 약간의 경사각 변화를 허용하게 되므로 파지대(52)와 잉곳(10)의 상부면이 긴밀히 접촉할 수 있다.

또한, 파지대(52)는 후술하는 글래스부재 또는 세라믹부재를 파지할 수 있는 폭이고 절단와이어(22)가 배열된 폭보다 넓은 폭으로 형성됨으로써 절단와이어(22)에 의해 사파이어잉곳(10)의 절단이 완료된 후에도 양측의 글래스부재 또는 세라믹부재까지 파지대(52)에 접착된 상태가 되도록 함으로써 절단완료 후 웨이퍼나 글래스부재 또는 세라믹부재의 남은 부분이 하부로 낙하하지 않도록 한다.

상기 상하이송장치는 공압실린더구동기(53)인 것이 바람직하고, 실린더로더와 파지대(52)는 완충스프링(54)에 의해 연결되어 파지대(52)가 잉곳(10)의 상부에 접촉할 때의 충격을 흡수하고 약간 압축됨으로써 이송량이 보정되도록 한다. 파지대(52)에는 리미트스위치(미도시)가 설치되어 잉곳(10)의 상부와 접촉 시 상기 공압실린더구동기(53)의 작동이 중지될 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 웨이퍼파지장치(50)는 잉곳(10)의 절단작업이 전체 지름의 80~90% 진행된 상태에서 상부프레임(41)으로부터 하강하여 잉곳(10)의 상부를 파지하게 된다. 이를 위하여 후술하는 제어장치에서는 잉곳절입장치(40)의 전동기(42)의 회전수가 체크됨과 함께 미리 입력되는 잉곳(10)의 직경에 관한 정보에 의해 현재 절단된 깊이를 감시하게 된다.

웨이퍼파지장치(50)가 설치됨으로써 부착부(31,32)에 의해 지지된 잉곳(10)이 웨이퍼로 절단완료되더라도 하부로 떨어지지 않고 지지될 수 있다.

상기에서 미설명하였으나, 상기 절단와이어장치(20), 잉곳회전장치(30), 잉곳절입장치(40) 및 웨이퍼파지장치(50)의 전반적인 작동을 제어하는 제어장치가 설치되어 잉곳(10)의 절단작업의 진행과정을 제어한다.

한편, 도 6은 상기와 같은 와이어소 장치에 장착되는 사파이어잉곳(10)을 예비작업하는 과정을 도시하고 있다.

먼저, 설명되는 사파이어 잉곳(10)은 기둥형상으로 형성되고 길이방향(기둥형상의 중심축 방향)과 결정축(15)의 방향이 일치하는 경우를 설명한다.

도 6의 (a)와 같이, 기둥형상의 잉곳(10)이 준비된다. 상기 잉곳(10)은 기둥형상으로서, 통상의 사파이어잉곳(10)의 형상처럼 원기둥형상이 가장 바람직하다.

준비된 잉곳(10)은 도 6의 (b)와 같이, 결정축(15)을 도시된 수평상태에서 소정각도(α)로 기울이게 된다. 상기 소정각도(α)는 웨이퍼를 제조하기 위해 사파이어잉곳(10)을 절단하는 각도로서, 스핀들의 회전축이 될 수평축(15b)에 대하여 0.01 ~ 2°로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 소정각도(α)는 전술한 바와 같이, 사파이어 웨이퍼를 엘이디(LED) 소자의 제조에 이용하기 위해 사파이어 단결정의 표면을 C면에 대해 경사지게 절단함으로써 결정 결함이 작고 표면도 평탄한 GaN결정을 얻기 위한 것이다.

사파이어 잉곳(10)을 기울이는 과정은, 도 7에 도시된 바와 같이 조절구(62)에 의해 경사진 상태로 고정할 수 있는 홀더(60)를 이용하여 각도를 조절하는 과정으로서, 그 각도가 조절된 상태에서 일측 글래스 부재(11)가 부착되어 그라인딩이 진행되고, 타측도 동일한 과정으로 진행된다. 즉, 글래스 부재의 부착 전에 상기 홀더(60)에 설치된 잉곳(10)의 측면(도 7에 도시된 설치상태에서 상측에 위치함)에 대하여 X-ray 측정장치를 이용함으로써 잉곳(10)의 결정축(15)이 소정각도(α)로 기울어지게 홀더(60)를 조절할 수 있다. 참고로, 도 7에서 홀더(60)에 잉곳(10)을 세워서 설치하고 있는 상태를 예시하고 있는 반면, 도 6은 와이어 소 장치에 설치되는 잉곳의 상태를 기준으로 도시되고 있는 것이므로, 도 7의 잉곳의 설치상태는 도 6에서 수평으로 배치된 상태로 표현되고 있음이 이해되어야 할 것이다.

잉곳(10)이 소정각도(α)로 기울어진 후, 도 6의 (c)와 같이, 글래스부재(11,12)가 부착된다. 양측 글래스부재의 부착이 한번에 이루어지고 그라인딩이 실시될 수 있으나, 도 7의 홀더(60)를 이용할 경우, 일측면씩 글래스부재의 부착과 그라인딩이 이루어진다. 상기 글래스부재(11,12)는 세라믹부재로 대체될 수 있다. 상기 글래스부재(11,12)는 사파이어잉곳(10)의 단면형상과 같은 형상으로 사파이어 잉곳(10)을 길이방향으로 연장하듯이 각각 왁스 등을 접착제로 하여 부착된다. 원기둥형상의 사파이어 잉곳일 경우, 그 지름과 같은 지름을 가지고 소정의 두께(t)를 가지는 원판형상의 글래스부재(11,12)가 부착되는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재를 사파이어 잉곳(10)의 양측면에 부착하는 이유는, 절단와이어(22)가 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재를 함께 절단하도록 함으로써, 잉곳(10)을 지지하는 부착부(31,32)와 잉곳(10) 사이에 글래스부재(11,12)의 두께(t)에 해당하는 여유간격이 발생하고, 이에 따라 고가의 사파이어 잉곳(10)을 가장자리까지 절단하여 활용도를 높일 수 있으며, 절단와이어(22)와 부착부(31,32) 사이의 접촉을 방지할 수 있다.

글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재를 사파이어 잉곳(10)의 측면에 부착한 후, 도 6의 (d)와 같이, 글래스부재(11,12)의 그라인딩(grinding)을 실시한다. 상기 그라인딩은 잉곳(10)의 결정축(15)에 수직인 평면에 대하여 상기 소정각도(α) 만큼 기울어진 경사면(16,17)을 그라인더(grinder)를 이용하여 가공하는 것이다. 도 6의 (d)에서 양측 글래스부재(11,12)가 설치된 후 양측 그라인딩이 실시되는 것으로 도시하고 있으나, 전술한 바와 같이 일측 글래스부재(11)의 부착 및 그라인딩이 실시된 후, 타측 글래스부재(12)의 부착과 그라인딩이 실시되는 것이 보다 용이할 것이다.

그라인딩에 의해 양 측면에 서로 평행한 경사면(16,17)이 형성됨으로써 양측의 부착부(31,32)에 면접촉하는 상태에서 고정될 수 있고, 그 고정된 상태는 스핀들(34)의 회전축과 사파이어잉곳(10)의 결정축(15)이 상기 소정각도(α)로 경사진 상태가 된다. 상기 상태에서 잉곳(10)의 절단이 이루어지면 잉곳(10)의 결정축(15)에 직각인 c면에 대하여 소정각도(α)로 경사진 방향으로 절단와이어(22)에 절입됨으로써 상기 c면에 대하여 상기 소정각도(α)로 경사진 면을 가진 웨이퍼가 생성된다.

이에 따라, 사파이어잉곳(10)을 절단하기 위한 잉곳(10)의 예비작업과정이 완료된다.

한편, 도 8은 도 6에서 예비작업된 사파이어 잉곳(10)을 전술한 사파이어 잉곳(10)의 절단장치에 장착하여 웨이퍼를 제조하는 과정을 도시하고 있다.

먼저 도 8의 (a)와 같이, 상기에서 예비작업된 사파이어 잉곳(10)을 스핀들(34)의 선단에 형성된 부착부(31)와 그것에 대향하는 부착부(32)가 측면에 가압 또는 접착제(왁스 등)에 의해 접촉하여 고정시킨다. 이 때, 예비작업에 의해서 사파이어 잉곳(10)의 양측면에는 글래스부재(11,12)가 부착됨과 함게 글래스부재(11,12)가 연삭되어 경사면이 형성되어 있으므로, 사파이어잉곳(10)이 양측 부착부(31,32)에 의해 고정된 상태에서 스핀들(34)의 회전축과 잉곳(10)의 결정축이 상기 소정각도(α)로 경사져 있다.

사파이어 잉곳(10)이 양측 부착부(31,32) 사이에서 고정된 후에는, 도 8의 (b)와 같이, 스핀들(34)을 회전시킴과 함께 상부프레임(41)이 하강하여 사파이어 잉곳(10)이 절단와이어(22)에 절입된다. 절단와이어(22)는 상기 사파이어 잉곳(10)의 글래스부재(11,12)까지 절단하는 폭으로 배열됨으로써 사파이어재료의 낭비없이 모든 부분이 절단되도록 한다. 이에 따라, 사파이어잉곳(10)의 가장자리까지 모두 웨이퍼로서 절단된다.

절단작업이 진행되어 사파이어잉곳(10)의 절단이 지름의 70~95%가 진행된 상태에서 도 8의 (c)와 같이, 스핀들(34)의 회전 및 상부프레임(41)의 하강을 중단시키고 웨이퍼파지장치(50)의 파지대(52)가 잉곳(10)의 상부로 하강하여 접촉한다. 공압실린더구동기(53)에 의해 파지대(52)가 하강하도록 하고, 공압실린더구동기(53)의 실린더로드의 끝단과 파지대(52) 사이에 스프링(54)이 게재되어 약간 압축되도록 함으로써 잉곳(10)의 상부에 파지대(52)가 접촉할 때의 충격을 완화하고 잉곳(10)의 상부면에 접촉한 상태로 유지할 수 있다.

사파이어 잉곳(10)의 상부면에 파지대(52)가 접촉하면, 파지대(52) 내부의 히터(56)가 작동하여 파지대(52) 표면에 소정의 두께로 코팅된 왁스(55)를 녹여 잉곳(10)과 접착되게 된다. 왁스(55)의 히팅이 완료된 후 소정시간이 경과하면 왁스(55)가 식어 잉곳(10)이 파지대(52)에 고정된다.

사파이어 잉곳(10)의 상부면과 파지대(52)가 왁스(55)에 의해 서로 고정된 후에는, 도 8의 (d)와 같이, 스핀들(34)을 회전시키지 않는 상태로 상부프레임(41)을 하강시켜 잉곳(10)을 절단와이어(22)에 절입시킨다. 이후의 절단작업은 스핀들(34)의 회전없이 주행하는 절단와이어(22)에 의해서만 절단작용이 발생한다. 그 경우, 이미 절단이 70~95% 진행된 상태이므로 잉곳(10) 내부에 절단되지 않고 남은 부분의 직경이 크지 않아 잉곳(10)의 회전없이 절단와이어(22)에 절입되더라도 절단와이어(22)가 부담하는 부하가 크지 않다.

절단이 계속 진행되면, 잉곳(10) 내부의 남은 부분이 모두 절단되고 잉곳(10)은 모두 웨이퍼로 분할되게 된다. 잉곳(10)이 모두 웨이퍼로 분할된 상태에서도 각 웨이퍼의 상부가 파지대(52)에 왁스(55)에 의해 고정된 상태이므로 전체적으로 잉곳(10)의 형상을 유지하고 있다.

이후, 부착부(32)를 후퇴시키고 파지대(52)의 히터(56)를 재가동시키면 왁스(55)가 녹아 웨이퍼를 파지대(52)에서 분리할 수 있다.

상기와 같은 과정을 거쳐 제조된 사파이어 웨이퍼는 사파이어 결정축에 직각인 평면에 대하여 상기 소정경사(α)를 가지는 평면이 형성됨으로써 GaN결정을 성장시키기에 적합한 표면을 가지게 된다.

한편, 사파이어 잉곳(10)이 기둥형상으로 형성되되 그 길이방향과 결정축의 방향이 일정각도(β)로 경사져 있는 경우의 예비작업 및 절단을 위한 설치방법을 설명한다.

도 9를 참조하면, 도 9의 (a)와 같이 잉곳(10)의 길이방향인 중심축(15a)와 결정축(15)이 일정각도(β)로 경사진 경우, 전술한 잉곳의 절단단계와 큰 차이가 없으나, 본 경우에는 도 9의 (b)에서 도시하는 바와 같이, 잉곳(10)은 결정축(15) 방향이 스핀들(34)의 회전축이 될 수평축(15b)과 소정각도(α)를 가지도록 기울이게 된다. 상기 소정각도(α)는 전술한 바와 같이 0.01 ~ 2°로 설정하는 것이 바람직하다.

이후, 도 9의 (c) 및 (d)에서 도시하는 바와 같이, 글래스부재(11,12)가 부착되고, 글래스부재(11,12)의 양측 외면은 그 길이방향인 중심축(15a)에 직각인 면에 대하여 β-α의 각을 가지도록 그라인딩됨으로써 부착부(31,32)에 부착될 수직면이 형성된다.

도면에서 15a는 잉곳(10)의 길이방향의 중심축이고, 15b는 수평축이다.

도 9의 (e)는 상기 예비가공된 잉곳(10)이 양측 부착부(31,32)에 부착되어 고정된 상태를 도시하는 것으로, 상기 수평축(15b) 방향이 상기 부착부에 연결된 스핀들(34)의 회전축 방향과 일치하고 있으며, 상기 회전축과 결정축(15)은 상기 소정각도(α)를 이루게 됨으로써, 전술한 바와 동일하게 사파이어 단결정의 표면을 C면에 대해 경사지게 절단하게 된다.

한편, 도 10은 잉곳(10)의 길이방향인 중심축(15b)과 결정축(15)이 상기 소정각도(α) 즉, 0.01 ~ 2°를 이루고 있는 경우의 설치방법을 도시하고 있다.

그와 같은 경우, 사파이어 잉곳(10)의 양측에 글래스부재(11,12)를 결합시키고 글래스부재(11,12)의 양측 외면이 사파이어 잉곳(10)의 길이방향에 수직인 면으로 그라인딩한다.

이후, 양측 글래스부재(11,12)의 외면에 양측 부착부(31,32)를 부착시키면 사파이어 잉곳(10)의 길이방향인 중심축(15b) 방향과 부착부에 연결된 스핀들(34)의 회전축(15a)이 일치하도록 설치된다. 그러한 상태는 잉곳(10)의 길이방향인 중심축(15b)과 결정축(15)이 상기 소정각도(α)를 이루고 있으므로, 스핀들(34)의 회전축(15a)과 잉곳(10)의 결정축(15) 방향이 상기 소정각도(α)를 형성하도록 설치된 상태이다.

이에 따라, 스핀들(34)를 회전시켜 웨이퍼 가공이 이루어지면, 전술한 바와 같이 사파이어 단결정의 표면을 C면에 대해 경사지게 절단하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 상기의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 있는 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.

1; 잉곳 2; 절단와이어
3,4; 롤러 5; 장치
10; 사파이어 잉곳 20; 절단와이어장치
30; 잉곳회전장치 40; 잉곳절입장치
50; 웨이퍼파지장치 11,12; 글래스부재
15; 결정축 15a; 길이방향 중심축
15b; 수평축 16,17; 경사면
22; 절단와이어 23; 롤러
31,32; 부착부 33; 전동기
34; 스핀들 41; 상부프레임
42; 전동기 43; 이송스크류바
52; 파지대 53; 상하이송장치(공압실린더구동기)
54; 완충스프링 55; 왁스
56; 히터 60; 홀더
62; 조절구 24,39; 베어링

Claims

절단와이어(22)의 열(列)이 형성된 와이어소(wire saw)에 의해 사파이어 잉곳(10)이 절단되는 방법에 있어서,
결정축(15)을 가진 기둥형상의 사파이어 잉곳(10)이 준비되고 상기 잉곳(10)의 길이방향의 양측면에 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재가 부착되는 1단계;
상기 1단계 후, 양측의 상기 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재의 외면에 양측 부착부(31,32)가 부착되어 상기 잉곳(10)이 고정되되, 상기 부착부에 연결된 스핀들(34)의 회전축과 상기 결정축(15)의 방향이 소정각도(α)를 이룬 상태에서 상기 잉곳(10)이 고정되는 2단계; 및,
상기 2단계 후, 상기 스핀들(34)이 회전됨으로써 회전하는 상기 잉곳(10)을 상기 절단와이어(22)에 절입시켜 상기 잉곳(10)이 다수의 웨이퍼의 형상으로 절단이 진행되는 3단계; 를 포함하되,
상기 사파이어 잉곳(10)은 길이방향과 결정축 방향이 동일하고,
상기 2단계에서, 상기 잉곳(10)의 양측면에 부착된 상기 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재의 외면이 각각 상기 결정축(15)에 직각인 평면에 대하여 상기 소정각도(α)의 경사진 평면으로 서로 평행하게 그라인딩된 후, 그 그라인딩된 양측 외면에 상기 양측 부착부(31,32)가 부착되는 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
제1항에 있어서,
상기 소정각도(α)는 0.01 ~ 2°인 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
제2항에 있어서,
상기 절단와이어(22)의 열(列)은 양측의 상기 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재까지 절단하는 폭으로 설치된 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
제3항에 있어서,
상기 잉곳(10)이 상기 절단와이어(22)의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
제4항에 있어서,
상기 3단계에서
상기 잉곳(10)이 설정깊이로 절단된 후에는 상기 잉곳(10)을 웨이퍼파지수단에 부착시키고, 상기 스핀들(34)의 회전을 정지시킨 상태에서 상기 절단와이어(22)에 절입시켜 절단을 완료하는 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
제5항에 있어서,
상기 잉곳(10)은 왁스(55)에 의해 상기 웨이퍼파지수단에 부착되는 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
제5항에 있어서,
상기 설정깊이는 상기 잉곳(10) 지름의 70~95%가 절단된 상태의 깊이인 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
제2항에 있어서,
상기 사파이어 잉곳(10)은 원기둥형상인 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
절단와이어(22)의 열(列)이 형성된 와이어소(wire saw)에 의해 사파이어 잉곳(10)이 절단되는 방법에 있어서,
길이방향과 결정축 방향이 0.01 ~ 2°의 각을 이루는 기둥형상의 사파이어 잉곳(10)이 준비되고 상기 잉곳(10)의 길이방향의 양측면에 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재가 부착되는 1단계;
상기 1단계 후, 양측의 상기 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재의 외면에 양측 부착부(31,32)가 부착되어 상기 부착부에 연결된 스핀들(34)의 회전축과 상기 길이방향이 일치된 상태로 상기 잉곳(10)이 고정되는 2단계; 및,
상기 2단계 후, 상기 스핀들(34)이 회전됨으로써 회전하는 상기 잉곳(10)을 상기 절단와이어(22)에 절입시켜 상기 잉곳(10)이 다수의 웨이퍼의 형상으로 절단이 진행되는 3단계;를 포함하되,
상기 2단계에서, 상기 잉곳(10)의 양측면에 부착된 상기 글래스부재(11,12) 또는 세라믹부재의 외면이 그라인딩되어 상기 부착부(31,32)가 부착되는 것을 특징으로 하는 와이어소를 이용한 사파이어 잉곳의 절단방법
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