KR20050012938A - 잉곳 절단 장치 - Google Patents

Abstract

단결성 실리콘 잉곳을 웨이퍼 형상으로 절단하는 잉속 절단 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 이격되어 서로 평행하게 배치되는 복수개의 롤러 및 링 형상을 갖고, 상기 복수개의 롤러에 감겨져 있으며, 원통 형상의 잉곳을 절단하기 위한 다이아몬드 조각들이 부착되에 있는 복수개의 와이어를 포함하고 있다. 그리고, 복수개의 와이어가 상기 잉곳의 종방향 축에 대하여 수직 왕복 운동되도록, 상기 복수개의 롤러를 왕복 회전시키기 위한 구동부를 포함하는 있다. 상술한 장치는 별도로 독립된 다이아몬드 와이어을 가지고 있기 때문에 장력의 변화가 쉽게 발생하지 않아 균일한 면을 갖는 웨이퍼를 형성할 수 있고, 최소한의 절단 손실과 상대적으로 신속하게 웨이퍼로 얇게 절단하 수 있다.

Description

잉곳 절단 장치{apparatus for slicing ingot}

본 발명은 잉곳 절단 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비교적 큰 직경을 갖는 폴리실리콘 및 단결정 실리콘 잉곳(ingot)과 같은 결정성 잉곳을 표면의 변화 없이 얇게 절단하기(slicing) 위한 잉곳 절단 장치에 관한 것이다.

현재의 반도체 및 집적 회로 소자의 대부분은 실리콘 기판 상에서 제조된다. 그 기판 자체는 처음에는 무작위로 배향된 미소결정(crystallites)을 갖는 가공되지 않은 다결정 실리콘을 이용하여 형성된다. 그러나, 이러한 상태에서, 실리콘은 반도체 소자의 제조에 필요한 필수적인 전기적 특성을 나타내지 못한다. 따라서, 상술한 특성을 갖는 단결성 실리콘을 형성하기 위해서는 고순도의 다결정 실리콘을 약 1400도의 온도로 가열하여 용융물을 형성한 후, 그 용융물에 단결정 실리콘 시드(seed)가 첨가시킨다. 그리고, 단결정 잉곳이 동일 배향의 시드를 갖도록인상(pulling)시킴으로서 형성된다.

상술한 방법으로 잉곳이 제조되면, 잉곳은 개별의(discrete) 또는 집적 회로 반도체 소자들 용의 다수의 다이(die)로 일련 가공되도록 잘려진 후 (즉, 잉곳의 '헤드' 및 '꼬리' 부분들이 잘려져야 함) 그 다음에 개개의 웨이퍼들로 얇게 절단된다.

이렇게 잉곳을 웨이퍼 형태로 절단하는 주요 방법은 상대적으로 얇은 가요성 블레이드를 갖는 띠톱(bandsaw)을 이용하는데 상기 띠톱 블레이드에 본질적인 다량의 플러터(flutter)는 잉곳의 다량의 '절단'(kerf) 손실 및 절삭된 웨이퍼의 표면에 블레이드의 톱니모양 자국을 남기게 되어 표면 연마 공정이 필수적으로 수행해야 하는 문제점을 가지고 있다.

현재, 잉곳을 웨이퍼로 얇게 절단하는 방법으로서 내경(ID) 구멍 톱 및 슬러리 톱(slurry saw)을 이용한 2가지 방법이 적용되고 있는 실정이다. 상기 구명 톱을 이용한 방법은 단결정 실리콘을 얇게 절단하기 위해 미국에서 주로 사용되었고, 블레이드의 플러터 및 그로 인한 결정 구조의 손상을 감소시키기 위해 블레이드의 절삭날이 중심 배치 구멍과 그 내경에서 인접되어 있다. 그러나 이러한 기술은 실리콘 잉곳의 직경이 증가될 때, 내경 구멍 톱이 작업 불가능한 정도일 경우에 내경 구멍 톱이 불요하게 큰 지점을 항상 절단할 수 있도록 내경 구멍 톱이 잉곳 직경보다 3배나 커야하는 단점이 있다.

슬러리 톱을 이용한 기술은 일련의 맨드릴을 포함하는 슬러리 톱에 그 맨드릴을 중심으로 매우 긴 와이어가 원형을 이루고 있고, 그 다음에 탄화규소 또는 탄화붕소 슬러리가 와이어 상에 적하될 때 잉곳을 절단한다. 상기 잉곳 직경이 300 내지 400㎜로 증가될 경우 와이어의 두께가 상대적으로 증가되어야 하기 때문에 잉곳의 '절단' 손실에 증가되고, 와이어가 두께가 증가되지 않는다면 잉곳을 통한 와이어의 드래그(drag)가 파손이 현저하기 증가되는 문제점을 가지고 있다.

또한, 슬러리 톱의 스코어 자국 및 슬러리 톱 와이어들의 절삭 양의 감소로 인해 웨이퍼의 표면을 원활하고 평행하게 하고 다른 표면 자국 및 결함을 제거하기 위해서 길이를 증가시켜야 하고, 값비싼 연마 작동 비용을 초래한다. 이러한, 연마 작업은 상당히 많은 양의 탄화규소 및 오일 또는 산화알루미늄 슬러리들을 필요하게 되고, 상기 슬러리들의 처리는 환경 문제를 유발한다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 다이아몬드를 함유한 절삭 와이어가 개발 및 제조되었다. 이러한 와이어들은 인장 강도가 높은 와이어에 약 20 내지 120㎛의 매우 작은 다이아몬드가 균일하게 코팅되어 있어 있다. 상술한 바와 같은 와이어를 이용하여 잉곳을 절단할 경우 종래의 발생되는 문제점을 해결할 수 있었으나, 절단 속도가 느리고, 수많은 절단 공정을 수행할 경우 와이어의 장력 변화로 인해 절단된 웨이퍼의 표면에 두께 오차가 발생하는 문제점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 잉곳의 절단시 와이어의 인장력의 변화가 크게 발생하지 않으며, 보다 빠르게 잉곳을 절단할 수 있는 잉곳 절단 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 잉곳 절단 장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1의 잉곳 절단 장치의 와이어의 형상을 나타내는 확대도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 잉곳 절단 장치를 나타내는 도면이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

서로 이격되어 평행하게 배치되는 복수개의 롤러; 링 형상을 갖고, 상기 복수개의 롤러에 감겨져 있으며, 원통 형상의 잉곳을 절단하기 위한 다이아몬드 조각들이 부착되에 있는 복수개의 와이어; 및 상기 복수개의 와이어가 상기 잉곳의 종방향 축에 대하여 수직 왕복 운동되도록, 상기 복수개의 롤러를 회전시키기 위한 구동부를 포함하는 잉곳 절단 장치를 제공하는데 있다.

상술한 구성을 갖는 장치는 300 내지 400㎜ 또는 그 이상의 직경을 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 최소한의 절단 손실과 덜 광범위한 후속 연마 작업으로 인하여 경제적 효율성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 잉곳 절단 방법에 비해 상대적으로 신속하게 잉곳을 절단할 수 있는 특성 및 균일한 두께 및 표면을 갖는 웨이퍼를 형성 할 수 있다.

이하, 본 발명의 절단 장치에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 잉곳 절단 장치는 기존의 와이어를 이용한 절단 장치에 비해 와이어의 인장력의 변화를 미연에 차단할 수 있을 뿐만 아니라 상기 와이어에 다이아몬드 조각이 일렬로(톱날의 형상같이) 부착되어 있어 잉곳을 절단 속도를 향상시킬 수 있다.

이와 같은 장치의 구성은 이격 되어 서로 평행하게 배치되는 복수개의 롤러와 링 형상을 갖고, 잉곳과 대향되는 라인을 따라 다이아몬드 조각이 부착되어 있으며, 상기 복수개의 롤러에 감겨져 있어 원통 형상의 잉곳(ingot)을 복수개의 웨이퍼로 절단하기 위한 복수개의 와이어를 포함하고 있다. 그리고, 상기 복수개의 와이어는 상기 잉곳의 종방향 축에 대하여 수직 왕복 운동되도록, 상기 복수개의 롤러를 회전시키기 위한 구동부를 포함하고 있다. 상기 회전은 좌, 회전을 포함하고 있다.

여기서, 상기 복수개의 롤러에는 상기 복수개의 와이어의 이격된 거리를 정의하고, 왕복 운동시 상기 와이어의 이탈을 방지하는 원주 가이드홈이 형성되어 있다.

상기 복수개의 롤러는 이격되어 서로 평행하게 마주보고 있는 한 쌍의 롤러로 구성되거나, 사각형 꼭지점의 좌표하에서 서로 이격되어 배치되는 두 쌍의 롤러로 구성될 수 있다. 이때 상기 롤러의 이격 거리는 상기 잉곳의 직경보다 큰 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 장치에는 잉곳을 잉곳의 종방향 축에 대해 회전시키기 위한 잉곳 회전부 및 상기 와이어에 의해 상기 회전하는 잉곳이 절단되도록, 와이어의 길이방향에 대하여 직교하는 방향으로 상기 잉곳을 이송하는 잉곳 이송부를 더 포함하고 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 잉곳 절단 장치의 실시예를 설명하기로 한다.

[실시예]

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 잉곳 절단 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 잉곳 절단 장치의 와이어의 형상을 나타내는 확대도이다.

도 1을 참조하면, 원통형의 작업물 예컨대, 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘, 갈륨 비소(Ga As) 또는 다른 결정성 잉곳(crystalline ingot; 100)을 얇게 절단하기 위한 장치의 개략도가 도시되어 있다.

상기 잉곳 절단 장치의 주 구성 요소로서는, 한 쌍의 롤러(110a,110b), 와이어(120), 와이어가 감겨진 한 쌍의 롤러(110a,110b)를 왕복 회전시키기 위한 구동부(130) 및 잉곳(100)을 이송하는 잉곳 이송부(140)를 포함하고 있다.

여기서, 와이어(120)는 실리콘 잉곳(100)의 절단 작업시 장력의 변화가 발생되지 않도록 고리 형상을 갖고, 상기 한 쌍의 롤러(110a,110b)에 감겨져 있으며, 상기 잉곳(100)을 다수의 웨이퍼로 정확하고 신속하게 절단하기 위해 복수개가 적용된다.

그리고, 상기 와이어(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 와이어 라인(122)상에 소정의 크기를 갖는 경도가 큰 물질조각, 예컨대 다이아몬드 조각(124)이 톱날 형상처럼 상기 잉곳에 대향되는 와이어에 일렬로 부착되어 있어 상기 잉곳(100)을 보다 빨리 절단할 수 있다.

상기 한 쌍의 롤러(110a,110b)는 상기 롤러에 감겨지는 복수개 와이어(120)의 인장력이 적절히 유지된 상태를 갖도록 소정의 거리가 이격되어 서로 평행하게 배치되어 있고, 상기 롤러에 형성된 원주 가이드홈(112)은 한 쌍의 롤러(110a,110b)에 감겨진 와이어(120)의 이격 거리를 정의하고, 와이어의 왕복 운동시 와이어(120)가 소정의 간격의 위치로부터 이탈되는 것을 방지하는 역할을 한다.

여기서, 상기 와이어(120)의 인장력은 잉곳(100)을 절단하는 공정이 증가될수록 변동되기 때문에, 상기 와이어(120)의 인장력에 변화가 발생할 경우 상기 롤러(110a,110b)의 이격 거리를 선택적으로 컨트롤 해주면, 와이어(120)의 인장력 변화로 인한 웨이퍼 표면에 두께 변화를 미연에 방지할 수 있다.

상기 구동부(130)는 상기 복수개의 와이어(120)가 상기 잉곳(110)의 종방향 축에 대하여 수직 왕복 운동함으로써 상기 잉곳(100)이 웨이퍼의 형상으로 절단될 수 있도록 상기 한 쌍의 롤러(110a,110b)를 회전시키기 역할을 수행한다.

또한, 상기 잉곳 절단 장치는 회전 또는 고정되어 있는 잉곳(100)이 상기 다이아몬드 조각이 부착된 와이어(120) 의해 절단될 수 있도록 왕복 운동하는 복수개의 와이어에 대하여 직교하는 방향으로 상기 잉곳을 이송하는 잉곳 이송부(140)를 포함하고 있다.

상기 잉곳 이송부(140)는 한번의 절단 작업으로 웨이퍼가 완성되도록 잉곳(100)의 외경으로부터 외향으로 배치되고 이에 근접한 초기 위치로부터 잉곳(100)의 내경에 근접한 최종 위치를 향해 상기 잉곳을 수직 이송시키는 기능을 한다

도면에는 도시되어 있지 않지만 상기 잉곳(100)의 종방향 축에 대하여 잉곳(100)을 회전시키기 위한 잉곳 회전부(도시하지 않음)적용될 수 있다. 상기 잉곳 회전부는 잉곳을 그 길이 방향을 따라 주연 방향으로 둘러싸는 하나 또는 그 이상의 회전 콜릿 고정구가 포함된다. 또한, 상기 장치는 와이어(120)가 잉곳(100)의 길이를 따라 반복 절단이 가능하도록, 예컨대 다수의 웨이퍼를 얇게 절단하도록 잉곳(100)이 인덱스(index)되고 병진적으로 재 위치될 수 있도록 재위치 기구를 더 구비할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 잉곳 절단 장치를 나타내는 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 잉곳 절단 장치의 주 구성 요소로서는, 두 쌍의 롤러(210a,210b,210c,210d), 와이어(220), 와이어가 감겨진 두 쌍의 롤러를 왕복 회전시키기 위한 구동부(230), 잉곳을 이동시키는 잉곳 이송부(240), 상기 잉곳을 고정 및 회전시키기 위한 잉곳 회전부(250) 및 와이어에 슬러리를 제공하는 슬러리 제공부(260)를 포함하고 있다.

여기서, 와이어(220)는 실리콘 잉곳(100)의 절단 작업시 장력의 변화가 발생되지 않도록 고리 형상을 갖고, 상기 두 쌍의 롤러(210a,210b,210c,210d)에 감겨져 있으며, 잉곳(100)을 동시 절단하여 복수개의 웨이퍼를 형성할 수 있도록 복수개가 적용된다. 상기 와이어(220)는 두 쌍의 롤러에 의해 지지되어 있다.

그리고, 상기 와이어(220)는 잉곳대 대향하는 와이어 일측부에 소정의 크기를 갖는 경도가 큰 조각, 예컨대 다이아몬드 조각이 일렬로 부착되어 있어 상기 잉곳(100)을 보다 빨리 절단할 수 있다.

상기 두 쌍의 롤러(210a,210b,210c,210d)는 상기 롤러에 감겨지는 복수개 와이어(220)의 인장력이 적절히 유지된 상태를 갖도록 조정할 수 있도록 소정 거리가 이격되어 있고, 상기 롤러에 형성된 원주 가이드홈(212)은 두 쌍의 롤러에 감겨진 와이어(220)의 이격 거리를 정의하고, 와이어의 왕복 운동시 와이어(220)가 소정의 간격의 위치로부터 이탈되는 것을 방지하는 역할을 한다.

여기서, 상기 와이어(220)의 인장력은 잉곳(100)을 절단하는 공정이 증가될수록 변동되기 때문에, 상기 와이어(220)의 인장력에 변화가 발생할 경우 상기 두 쌍의 롤러(210a,210b,210c,220d)의 이격 거리를 각각 선택적으로 컨트롤 해주면, 상기 와이어(220)의 인장력 변화로 인한 웨이퍼 표면의 두께 변화를 미연에 방지할 수 있다.

상기 구동부(230)는 상기 복수개의 와이어(220)를 상기 잉곳(100)의 종방향 축에 대하여 수직 왕복 운동시키기 위해 두 쌍의 롤러에 결합되어 상기 두 쌍의 롤러(210a,210b,210c,220d)를 왕복 회전시키기 위한 역할을 수행한다. 이와 같이, 상기 롤러가 왕복 회전함으로 인해 상기 와이어(220)의 일측면은 수평 상에서 잉곳(100)을 절단하기 위해 왕복 운동된다.

또한, 상기 잉곳 절단 장치는 소정에 위치에 고정되어 잉곳의 종축에 대하여 회전하는 잉곳(100)이 상기 다이아몬드 조각이 부착된 와이어(220) 의해 절단될 수 있도록 왕복 운동하는 복수개의 와이어의 일측 라인에 상기 잉곳이 맞닿을 수 있도록 상기 잉곳의 종 방향에 대하여 직교하는 방향으로 상기 잉곳(100)을 수직 이송하는 잉곳 이송부(240)를 포함하고 있다.

여기서, 잉곳 이송부(240)는 한번의 절단 작업으로 웨이퍼가 형성되도록 잉곳(100)의 외경으로부터 외향으로 배치되고 이에 근접한 초기 위치로부터 잉곳(100)의 내경에 근접한 최종 위치를 향해 상기 잉곳을 수직 이송시키는 기능을 한다. 이때, 상기 와이어(220)가 잉곳(100)의 내경 또는 중심 종방향 축에 도달하면, 잉곳(100)은 절단되며 잉곳 이송부(240)에 의해 잉곳의 초기 위치를 향해 후퇴된다.

상술한 장치는 상기 잉곳(100)의 종방향 축에 대하여 잉곳(100)을 회전시키기 위한 잉곳 회전부(250)를 더 포함하고 있다. 상기 잉곳 회전부(250)는 잉곳을 그 길이 방향을 따라 주연 방향으로 둘러싸는 하나 또는 그 이상의 회전 콜릿이 포함되어 있다. 또한, 상기 장치는 와이어(120)가 잉곳(100)의 길이를 따라 반복 절단이 가능하도록, 예컨대 다수의 웨이퍼를 얇게 절단하도록 잉곳(100)이 인덱스(index)되고 병진적으로 재 위치될 수 있도록 재위치 기구(도시하지 않음)를 더 구비할 수도 있다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 잉곳 절단 장치는 직경이 넓은 단결정 실리콘 잉곳을 웨이퍼로 형성할 경우 상기 잉곳의 절단 손실을 최소화 할 수 있는 특정을 가지고 있을 뿐만 균일한 표면을 갖는 웨이퍼를 형성할 수 있기 때문에 광범위한 후속 연마 작업을 수행하지 않아도 되어 경제적 효율성을 얻을 수 있다. 또한, 종래의 잉곳 절단 방법에 비해 상대적으로 신속하게 잉곳을 절단할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 서로 이격되어 평행하게 배치되는 복수개의 롤러;

   링 형상을 갖고, 상기 복수개의 롤러에 감겨져 있으며, 원통 형상의 잉곳을 절단하기 위한 다이아몬드 조각들이 부착되에 있는 복수개의 와이어; 및

   상기 복수개의 와이어가 상기 잉곳의 종방향 축에 대하여 수직 왕복 운동되도록, 상기 복수개의 롤러를 회전시키기 위한 구동부를 포함하는 잉곳 절단 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 롤러에는 왕복 운동하는 와이어의 이탈을 방지하는 원주 가이드홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 롤러는 마주보며 이격되어 있는 한 쌍의 롤러로 구성되며, 상기 이격 거리는 상기 잉곳의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 롤러는 사각형 꼭지점의 좌표하에서 서로 이격 되어있는 두 쌍의 롤러로 구성되며, 상기 이격된 간격은 상기 잉곳의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 잉곳을 잉곳의 종방향 축에 대하여 회전시키기 위한잉곳 회전부를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 와이어에 의해 상기 회전하는 잉곳이 절단되도록, 와이어의 길이방향에 대하여 직교하는 방향으로 상기 잉곳을 이송하는 잉곳 이송부를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 잉곳을 절단하는 와이어에 슬러리를 제공하는 슬러리 제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
8. 서로 이격되어 평행하게 배치되는 복수개의 롤러;

   링 형상을 갖고, 상기 복수개의 롤러에 감겨져 있으며, 원통 형상의 잉곳을 절단하기 위한 다이아몬드 조각들이 부착되에 있는 복수개의 와이어;

   상기 복수개의 와이어가 잉곳의 종방향 축에 대하여 수직 왕복 운동되도록, 상기 복수개의 롤러를 회전시키기 위한 구동부;

   상기 잉곳을 잉곳의 종방향 축에 대하여 회전시키기 위한 잉곳 회전부; 및

   상기 회전부에 의해 회전하는 잉곳이 상기 와이어에 의해 절단되도록, 복수개의 와이어의 길이방향에 대하여 직교하는 방향으로 상기 잉곳을 이송하기 위한 잉곳 이송부를 포함하는 잉곳 절단 장치.