JP7398852B1 - 半導体結晶ウェハの製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる半導体結晶ウェハの製造装置および製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】半導体結晶ウェハであるＳｉＣウェハの製造方法は、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）と、ガイドライン形成工程（ＳＴＥＰ１１０／図１）と、切断工程（ＳＴＥＰ１２０／図１）と、研削加工工程（ＳＴＥＰ１３０／図１）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造装置および製造方法に関するものである。

従来、この種の半導体結晶ウェハであるＳｉＣウェハの製造方法としては、下記特許文献１に示すように、ウェハ形状形成工程として、結晶成長させた単結晶ＳｉＣの塊を円柱状のインゴットに加工するインゴット成形工程と、インゴットの結晶方位を示す目印となるよう、外周の一部に切欠きを形成する結晶方位成形工程と、単結晶ＳｉＣのインゴットをスライスして薄円板状のＳｉＣウェハに加工するスライス工程と、修正モース硬度未満の砥粒を用いてＳｉＣウェハを平坦化する平坦化工程と、刻印を形成する刻印形成工程と、外周部を面取りする面取り工程とを含み、次に、加工変質層除去工程として、先行の工程でＳｉＣウェハに導入された加工変質層を除去する加工変質層除去工程を含み、最後に、鏡面研磨工程として、研磨パッドの機械的な作用とスラリーの化学的な作用を併用して研磨を行う化学機械研磨（ＣＭＰ）工程を含むＳｉＣウェハの製造方法が知られている。

特開２０２０－１５６４６号公報

しかしながら、かかる従来のＳｉＣウェハの製造方法では、製造工程が多く複雑であり、装置構成が複雑となり製造コストが嵩むという問題ある。

一方で、製造工程を簡略化した場合には、ＳｉＣウェハに要求される品質を安定して得ることが困難となる。

そこで、本発明は、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる半導体結晶ウェハの製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

第１発明の半導体結晶ウェハの製造装置は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造装置であって、
前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成するためのドラム砥石であって、該複数の凹溝に対応した複数の凸部が側面に形成された溝加工ドラム砥石と、
前記複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断するワイヤーソー装置と、
前記半導体結晶インゴットの側面に形成された各凹溝を含む各切断予定面に、該半導体結晶インゴットに対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光させた集光点を該切断予定面に沿って走査させることにより切断ガイドラインを形成するガイドライン形成手段と
を備え、
前記ガイドライン形成手段は、前記ワイヤーソー装置の前記ワイヤーの進行方向に対応した走査方向として、該ワイヤーの進行方向に一致した走査方向で前記切断ガイドラインを形成することを特徴とする。

第１発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成する、該複数の凹溝に対応した複数の凸部が側面に形成された溝加工ドラム砥石と、これに対応させた追加機材により構成される。

１つ目の追加機材は、半導体結晶インゴットの側面全体に形成された複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させるワイヤーソー装置である。

２つ目の追加機材は、各凹溝を含む各切断予定面に、透過性を有する波長のレーザー光線を集光させた集光点を切断予定面に沿って走査させることにより切断ガイドラインを形成するガイドライン形成手段である。

以上の構成において、溝加工ドラム砥石によって半導体結晶インゴットの側面全体に形成された複数の凹溝に対して、複数の凹溝に複数のワイヤーを正確に配置することに加えて、ワイヤーによる切断中に各切断予定面に形成された切断ガイドラインが切断のガイドになるため、複数のワイヤーで精度よく半導体結晶インゴットをスライス状に切断することができる。

すなわち、凹溝に配置されワイヤーは、切断中、周回しながら前進する際に、切断前の部分の凹溝および切断ガイドラインが切断抵抗の少ない領域を形成しておくことで切断のガイドとなる。

そして、切断ガイドラインが、ワイヤーの進行方向に対応させて形成することで、ワイヤーの進行中、連続的に切断抵抗の少ない領域をワイヤーに提供し続けることができる。

このように、第１発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、精度よく半導体結晶インゴットをスライス状に切断することができ、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

また、第１発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、切断ガイドラインをワイヤーの進行方向に一致させて形成することで、実際にワイヤーの進行中、連続的に切断抵抗の少ない領域をワイヤーに提供し続けることができる。

このように、第１発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、実際に精度よく半導体結晶インゴットをスライス状に切断することができ、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

第２発明の半導体結晶ウェハの製造装置は、第１発明において、
前記ガイドライン形成手段は、前記半導体結晶インゴットの端面から前記レーザー光線を入射させることを特徴とする。

第２発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、切断ガイドラインの形成のためのレーザー光線の入射を半導体結晶インゴットの端面から行うことで、集光点までの距離を決めてその距離を維持したままワイヤーの進行方向に沿って走査させることで簡易かつ確実に切断ガイドラインを形成することができる。

このように、第２発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、簡易かつ確実に切断ガイドラインを形成して、精度よく半導体結晶インゴットをスライス状に切断することができ、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

第３発明の半導体結晶ウェハの製造方法は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造方法であって、
前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成する溝加工工程と、
前記溝加工工程により、前記半導体結晶インゴットの側面に形成された各凹溝を含む各切断予定面に、該半導体結晶インゴットに対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光させた集光点を該切断予定面に沿って走査させることにより切断ガイドラインを形成するガイドライン形成工程と、
前記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を周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断する切断工程とを備え、
前記ガイドライン形成工程では、前記切断工程の前記ワイヤーの進行方向に対応した走査方向として、該ワイヤーの進行方向に一致した走査方向で前記切断ガイドラインを形成することを特徴とする半導体結晶ウェハの製造方法。

第３発明の半導体結晶ウェハの製造方法によれば、半導体結晶インゴットの側面全体に溝加工ドラムの複数の凸部に対応した凹溝を形成する溝加工工程と、溝加工工程において形成された複数の各凹溝を含む各切断予定面に切断ガイドラインを形成するガイドライン形成工程と、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を周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断する切断工程とが実行される。

ここで、溝加工ドラム砥石によって半導体結晶インゴットの側面全体に形成された複数の凹溝に対して、複数の凹溝に複数のワイヤーを正確に配置することに加えて、ワイヤーによる切断中に各切断予定面に形成された切断ガイドラインが切断のガイドになるため、複数のワイヤーで精度よく半導体結晶インゴットをスライス状に切断することができる。

すなわち、凹溝に配置されワイヤーは、切断中、周回しながら前進する際に、凹溝および切断ガイドラインにより切断抵抗の少ない領域を形成しておくことでこれらが切断のガイドとなる。

そして、切断ガイドラインをワイヤーの進行方向に対応させて形成することで、ワイヤーの進行中、連続的に切断抵抗の少ない領域をワイヤーに提供し続けることができる。

このように、第３発明の半導体結晶ウェハの製造方法によれば、精度よく半導体結晶インゴットをスライス状に切断することができ、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

本実施形態のＳｉＣウェハ（半導体結晶ウェハ）の製造方法の工程全体を示すフローチャート。 図１のＳｉＣウェハの製造方法における溝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ガイドライン形成工程および切断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研削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ガイドライン形成工程の変更例を示す説明図。

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ＳｉＣウェハを得る方法であって、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）と、ガイドライン形成工程（ＳＴＥＰ１１０／図１）と、切断工程（ＳＴＥＰ１２０／図１）と、研削加工工程（ＳＴＥＰ１３０／図１）とを備える。

図２～図５を参照して各工程の詳細および本実施形態のＳｉＣウェハの製造装置について説明する。

まず、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）では、共通の溝加工ドラム砥石２０により、かかるＳｉＣインゴット１０に対して、側面全体に周回する複数の凹溝１１を形成する。

溝加工ドラム砥石２０は、ＳｉＣインゴット１０の側面全体に周回する複数の凹溝１１を形成するためのドラム砥石であって、複数の凹溝１１に対応した複数の凸部２１が側面に形成されている。

具体的に、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）では、複数の凹溝１１に対応した複数の凸部２１が側面全体に形成された溝加工ドラム砥石２０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１０に圧接することにより凹溝１１を形成する。

このとき、ＳｉＣインゴット１０は、その両端面が一対の保護板１５，１５を介して保護された状態で回転自在に支持される。

保護板１５は、例えば、ポリ塩化ビニールなどの合成樹脂であり、ＳｉＣインゴット１０とは必要に応じて接着剤などを介して接合される。

かかる一対の保護板１５，１５により、ＳｉＣインゴット１０の両端部を保護することができ、両端部の欠けや割れを防止することができる。そのため、複数の凹溝１１を両端面の際まで形成することができ、ひいては、後述するＳｉＣウェハ１００をより多く切断して得ることができる。

また、ＳｉＣインゴット１０を回転軸に挟持して固定する際に、必要に応じて保護板１５，１５を加工（例えば、穴あけ）して固定することができる。加えて、この場合にも、ＳｉＣインゴット１０自体の加工を伴わないため、ＳｉＣインゴット１０を傷めることもない。

次に図３（ａ）に示すように、ワイヤー４０による切断に先立って、ガイドライン形成工程（ＳＴＥＰ１１０／図１）により、切断予定面に切断ガイドラインを形成する。

切断予定面は、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）により形成された各凹溝１１を含む面（図中に仮想線で示す、インゴットの外径よりも凹溝幅分小さい円形面）である。かかる切断予定面にＳｉＣインゴット１０に対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光させた集光点を位置させることにより、ＳｉＣ結晶の改質領域をＳｉＣインゴット１０に部分的に形成する。そして、集光点を切断予定面に沿って走査させることにより走査方向に対応した所望の切断ガイドラインが形成される。

かかる切断ガイドラインを形成するガイドライン手段としては、上記レーザー光線を発振するレーザー発振器と、レーザー光線をＳｉＣインゴット１０の内部に集光させる集光器（レンズ）とが用いられる。

具体的には、図３（ｂ）に切断予定面における断面図で示すように、図中矢印で示すワイヤー４０の進行方向に複数走査させた切断ガイドラインが複数形成される。これらの切断ガイドライン同士の間隔は、均等であってもよいが中央付近になるにしたがって間隔が小さく、左右両サイドに向かって間隔が大きくなるように疎密を付けてもよい。

このように疎密を設けることで、ワイヤーの進行の際に切断量の多い中央部は切断速度が落ち（逆に両サイドは切断速度が速くなり）ワイヤーが弓なりになるところ、切断抵抗の少ない領域を両サイドから中央部にかけて段階的に設けることで、図３（ｃ）に示すように、ワイヤー４０が弓なりになるのを防止してワイヤーを直線状に保持することができる。

なお、かかるワイヤー４０による切断工程（ＳＴＥＰ１２０／図１）で用いられるワイヤー装置は、（種々の装置が採用され得るが）ワイヤーボビン間に渡された複数のワイヤー４０を周回させながら前進させることによりＳｉＣインゴット１０をスライス状に切断する。

凹溝１１に配置されワイヤー４０は、切断中、周回しながら前進する際に、凹溝１１（ＳｉＣインゴット１０の外径が小さくなっていること）に加えて、切断ガイドラインにより切断予定面は切断抵抗の少ない領域となっており、ワイヤー４０が切断予定面を滑るように切断していくことができる。

これにより、複数の凹溝１１に配置された複数のワイヤー４０で、ＳｉＣインゴット１０を１回でスライス状に精度よく切断することができる。すなわち、ワイヤー４０による高速切断加工を実現することができると共に、切断面の表面平坦性および低ダメージ加工が可能となる。加えて、全面または特定領域において結晶性の悪いＳｉＣインゴット１０に対しても指定厚みでのスライスが可能であり、結晶方位の影響もない。

また、切断抵抗が少ないことから、ワイヤー４０の径自体を小さくすることができ、結果として、切り代を最小化させて取り率を向上させることができる。

次に、図４に示すように、研削加工工程（ＳＴＥＰ１３０／図１）では、第１面加工工程（ＳＴＥＰ１３０（１））により、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（ＳＴＥＰ１３０（１））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、スピンドル５１と、定盤であるプラテン５２上のダイアモンド砥石５３とを備える。

まず、ここで一面１１０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に吸着させて支持させ、他面１２０を下面として、ダイアモンド砥石５３により他面１２０を研削加工する。

このとき、スピンドル５１およびダイアモンド砥石５３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がダイアモンド砥石５３に押圧されることにより他面１２０に研削加工が施される。

なお、研削加工後には、ドレッサー等によりダイアモンド砥石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、第２面加工工程（ＳＴＥＰ１３０（２））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、ドレッサー等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。

かかる第１面加工工程（ＳＴＥＰ１３０（１））および第２面加工工程（ＳＴＥＰ１３０（２））のメカニカルポリッシュ（高精度研削加工）処理によれば、切断研磨工程により得られた高い平坦性を有するトランスファレス切断面のいずれか一方を支持面（吸着面）として、残りの面に順次、メカニカルポリッシュ（高精度研削加工）を施していくことで、いわゆる転写を防止して高品質なＳｉＣウェハを得ることができると共に、従来の遊離砥石加工、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。

より具体的には、砥石を替えて粗研削や複数回の仕上げ研削を行う必要がなく、例えば、♯３００００以上の砥石により直接１回の研削加工により仕上げまで行うことができるため、簡易であるばかりでなく、ＳｉＣウェハ１００から利用できる真性半導体層を大きく確保するすることができるという優位性がある。

なお、第１面加工工程（ＳＴＥＰ１３０（１））および第２面加工工程（ＳＴＥＰ１３０（２））の高精度研削加工処理において、ＳｉＣウェハ１００のサイズは、現在８インチまでであり、それぞれの口径のウェハはヘッドの面積に応じて、セットされ、（１２インチまでが可能）高精度研削加工処理が行われる。

以上が本実施形態のＳｉＣウェハの製造方法の詳細である。以上、詳しく説明したように、かかる本実施形態のＳｉＣウェハの製造方法および装置によれば、凹溝１１および切断ガイドラインにより切断抵抗の少ない領域を積極的に形成しておくことでこれらが切断のガイドとなり、複数のワイヤー４０で精度よく１回でＳｉＣインゴット１０をスライス状に切断することができる。

次に、図５を参照して、切断ガイドラインの変更例について説明する。
具体的には、図５（ａ）に示すように、切断ガイドラインは、ＳｉＣインゴット１０の端面に限らず、側面からレーザー光線を入射させることにより、図５（ｂ）に切断予定面における断面図で示すように、切断予定面に同心円状に複数の切断ガイドラインを形成してもよい。例えば、ＳｉＣインゴット１０を軸線回りに回転させることで、容易に同心円状の切断ガイドラインを形成することができる。

そして、この場合にも、凹溝１１に配置されワイヤー４０は、切断中、周回しながら前進する際に、未切断領域の凹溝１１に加えて、切断ガイドラインが切断抵抗の少ない領域となっており切断のガイドとなる。また、この場合にも、複数の同心円状の切断ガイドラインは、ＳｉＣインゴット１０の中央部ほど密になっているため、図５（ｃ）に示すように、ワイヤー４０が弓なりになるのを防止してワイヤーを直線状に保持することができる。

なお、上記実施形態において、切断ガイドラインは、ワイヤー４０の進行方向に一致される場合や同心円状に形成される場合に限定されるものではない。切断ガイドラインは、ワイヤー４０の進行方向を加味したものであればよく、例えば、ワイヤー４０の切断終点を起点とし、ワイヤーの進退方向（この場合には後退方向）に放射状となる走査方向で切断ガイドラインを形成してもよい。

この場合にもＳｉＣインゴットの中央部が左右サイドに比べて切断ガイドラインが密になるため、切断抵抗の少ない領域を両サイドから中央部にかけて段階的に設けることになり、ワイヤー４０が弓なりになるのを防止してワイヤーを直線状に保持することができる。

もちろん、ワイヤー４０の切断終点を起点にした放射状に代えてまたは加えて、切断始点を起点としてワイヤーの進退方向（この場合には進行方向）に放射状となる走査方向で切断ガイドラインを形成してもよい。

このように、切断始点や切断終点を起点とする放射状の切断ガイドラインを設けることで、切断始点と切断終点での切断がほぼ切断抵抗のない状態で切断可能となり、これら切断始点と切断終点の切断仕上がりを格段に向上させることができる。

さらに、本実施形態のガイドライン形成工程（ＳＴＥＰ１１０／図１）は、ウェハの再生を目的としたバックサイド形成の薄膜加工に適用してもよい。

また、本実施形態のＳｉＣウェハの製造方法において、上述の一連の処理の後、必要に応じて、化学機械研磨（ＣＭＰ）工程やウェハ洗浄工程が行われてもよい。

さらに、本実施形態は、半導体結晶ウェハの製造方法として、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。

また、本実施形態では、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）において、ＳｉＣインゴット１０は、その両端面が一対の保護板１５，１５を介して保護された状態で回転自在に支持される場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、一対の保護板１５，１５を省略して回転軸に直接ＳｉＣインゴット１０を固定してもよい。

さらに、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）以外の工程、例えば、切断工程（ＳＴＥＰ１２０／図１）においても、ＳｉＣインゴット１０の両端面を一対の保護板１５，１５により保護した状態で加工処理を行うようにしてもよい。

１…ＳｉＣ結晶（半導体結晶）、４…ワイヤーソー装置、１０…ＳｉＣインゴット（半導体結晶インゴット）、１１…凹溝、１５，１５…一対の保護板、２０…溝加工ドラム砥石、２１…凸部、４０…ワイヤー、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、５２…プラテン、５３…ダイアモンド砥石、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 (3)

1. 円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造装置であって、
   前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成するためのドラム砥石であって、該複数の凹溝に対応した複数の凸部が側面に形成された溝加工ドラム砥石と、
   前記複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断するワイヤーソー装置と、
   前記半導体結晶インゴットの側面に形成された各凹溝を含む各切断予定面に、該半導体結晶インゴットに対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光させた集光点を該切断予定面に沿って走査させることにより切断ガイドラインを形成するガイドライン形成手段と
   を備え、
   前記ガイドライン形成手段は、前記ワイヤーソー装置の前記ワイヤーの進行方向に対応した走査方向として、該ワイヤーの進行方向に一致した走査方向で前記切断ガイドラインを形成することを特徴とする半導体結晶ウェハの製造装置。
2. 請求項１記載の半導体結晶ウェハの製造装置において、
   前記ガイドライン形成手段は、前記半導体結晶インゴットの端面から前記レーザー光線を入射させることを特徴とする半導体結晶ウェハの製造装置。
3. 円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造方法であって、
   前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成する溝加工工程と、
   前記溝加工工程により、前記半導体結晶インゴットの側面に形成された各凹溝を含む各切断予定面に、該半導体結晶インゴットに対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光させた集光点を該切断予定面に沿って走査させることにより切断ガイドラインを形成するガイドライン形成工程と、
   前記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を周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断する切断工程とを備え、
   前記ガイドライン形成工程では、前記切断工程の前記ワイヤーの進行方向に対応した走査方向として、該ワイヤーの進行方向に一致した走査方向で前記切断ガイドラインを形成することを特徴とする半導体結晶ウェハの製造方法。

Images