(57)【要約】【課題】  従来技術ではサファイアインゴットをｒ面に対して平行に切断しようとすると切断中に割れが発生しやすく、サファイア単結晶の加工体を安定的に製造することが困難であり、生産性の低下を余儀なくされていた。【解決手段】  サファイアインゴットを切断してr面を有する加工体を得るに際し、切り込み方向を該ｒ面と平行なａ軸とｒ面に対してｃ軸を投影した線から形成される角を等分する線の方向から、１０°以上ずらした方向にすることで、切断時にサファイアインゴットを割ることなくr面を有する加工体を安定的に得ることができる。サファイアインゴットを割らずにｒ面に対して平行に切断可能になることで、ｒ面サファイア基板の製造効率を飛躍的に向上させることが可能となる。【選択図】  図４
2014175436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイアインゴットを切断してｒ面を有する加工体を得るに際し、切り込み好方向を、該ｒ面と平行なａ軸と、ｒ面に対してｃ軸を投影した線から形成される角を等分する線の方向から、１０°以上ずらした方向とするサファイアインゴットの切断方法。
【請求項２】
切り込み方向を、ｒ面に対してｃ軸を投影した線の方向±１０°又はａ軸方向±１０°とする請求項１記載のサファイアインゴットの切断方法。
【請求項３】
ｒ面を有する加工体が、主面としてｒ面を有するサファイア基板である請求項１又は２記載のサファイアインゴットの切断方法。
【請求項４】
サファイアインゴットが、チョクラルスキー方でｒ軸方向に育成されたインゴットである請求項１乃至３記載のサファイアインゴットの切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサファイアインゴットを切断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性の基板材料の上にシリコン膜を成長して得られるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）基板上に形成された半導体デバイスは、従来の単結晶シリコン基板上に形成したデバイスに比べて動作の高速化、回路の高集積化が可能となることから、高性能デバイス用途として徐々に製品化が進んでいる。このＳＯＩ基板の代表的なものとして、サファイア（酸化アルミニウム）単結晶基板上にシリコン膜を成長して得られるＳＯＳ（シリコン・オン・サファイア）基板がある。
【０００３】
ＳＯＳ基板は一般に、シリコンとの格子定数差が最も小さいｒ面、すなわちミラー指数｛−１０１２｝のサファイア基板上に、ＣＶＤ法やＭＢＥ法等を用いてシリコンをエピタキシャル成長することで形成する。ここで用いられるｒ面サファイア基板としては、一般に直径１５０ｍｍ（当該業者は一般にこれを６インチ基板と呼ぶ）以上の大口径なものが要求されている。
【０００４】
サファイア基板は、ＬＥＤチップの窒化物半導体形成用としての需要が旺盛となったことから、近年、大量生産技術の開発が盛んに行われている。しかし、窒化物半導体形成用としては一般に窒化物半導体との格子定数差が最も小さいｃ面｛０００１｝サファイア基板が用いており、これらの技術開発はｃ面基板を効率よく生産することに特化されたものが多い（例えば、特許文献１参照）。その一方で、ＳＯＳ基板に用いられる６インチ以上の大口径ｒ面サファイア基板を効率よく製造する検討は進んでいない。
【０００５】
一般にサファイア基板はＥＦＧ法など一部を除いてサファイアインゴットをコアドリルや切断機等で加工して任意の面を主面とした円柱体（コア）を作製し、さらにこれをマルチワイヤソー等で円板状に切断することで作製される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９７９５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述にあるようにＳＯＳ基板は一般にｒ面を主面とするサファイア基板が用いられるが、窒化物半導体形成基板のｃ面を主面とする加工と異なり、ｒ面が主面となるようサファイア単結晶体の加工を行なう場合は切断時に割れが発生し易いという問題がある。一般にｃ面に対して平行に切断する場合とｒ面に対して平行に切断する場合では、ｒ面に対して平行に切断する方が、割れが発生し易く、これはサファイア単結晶が有する結晶方位性に由来する。
【０００８】
例えば、バンドソーによる切断では加工対象を回転させながら切断する方法が一般的に知られている。しかし、サファイアインゴットをｒ面に対して平行に切断しようと回転切断を行うと、切断開始後まもなくサファイアインゴットが割れてしまう。これはサファイアインゴットが回転していることで割れやすい箇所で切断を行う時があるためだと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで発明者らは、上記の課題の解決のため鋭意研究した結果、サファイアインゴットをｒ面に対して平行に切断する際は、ｒ面に対してｃ軸を投影した線と、ａ軸を投影した線から形成される角を等分する線の方向から切り込むとサファイアインゴットが極めて割れやすいことを見出し、さらに検討を進めた結果本発明を完成した。
【００１０】
すなわち本発明は、サファイアインゴットを切断してｒ面を有する加工体を得るに際し、切り込み好方向を、該ｒ面と平行なａ軸と、ｒ面に対してｃ軸を投影した線とから形成される角を等分する線の方向から、１０°以上ずらした方向とするサファイアインゴットの切断方法である。
【００１１】
本発明では、好ましくは切り込み方向を、ｒ面に対してｃ軸を投影した線の方向±１０°又はａ軸方向±１０°とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によりサファイアインゴットを割らずにｒ面に対して平行に切断することが可能になり、ｒ面サファイア基板の製造効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】結晶方位図
【図２】ｒ面とａ軸の位置関係を示した図
【図３】ｃ軸をｒ面に投影した図
【図４】切断時に割れが発生しない切込み方向を示した図
【図５】サファイアインゴットを切断する際の固定の状態を示した図
【図６】ｒ面に平行かつ、ａ軸方向を切込み方向にした、サファイアインゴットを切断する際の固定の状態を示した図
【図７】ｒ面に平行かつ、該ｒ面と平行なａ軸とｒ面に対してｃ軸を投影した線とから形成される角を等分する線方向を切込み方向にした、サファイアインゴットを切断する際の固定の状態を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明において切断加工に供するサファイアインゴットの作製方法の一つにチョクラルスキー法がある。この方法は、坩堝中の単結晶製造原料の溶融液面に、目的とする単結晶からなる種結晶を接触させ、次いで、その種結晶を坩堝の加熱域から徐々に引上げて冷却することにより、該種結晶の下方に単結晶を育成させる方法である。チョクラルスキー法により育成したサファイアインゴットは円柱に近い形状をしており、大まかに直胴部と偏平なドーム形状の上部と下に凸の形状の下部からなっている。またこの他に、ベルヌーイ法、キロポーラス法、ブリッジマン法、ＨＥＭ（Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｔｈｏｄ）法などがあるが、本発明は特にサファイアインゴットの作製方法に制限されない。
【００１５】
チョクラルスキー法で育成したサファイア単結晶は、育成に際しての引上げ速度が速いため歪みが多く発生している。そのため育成した単結晶をそのまま切断加工すると切断時の割れがかなりの頻度で生じる。このような歪みの多い単結晶の切断時の割れの発生を抑制するためには、切断加工前に単結晶をアニール処理し単結晶の歪みを低減させれば良い。例えば、全長が３００ｍｍ程度で直胴部の径が２００ｍｍ程度の単結晶体では、１６００度から２０００度の雰囲気内で１２時間以上保持することで歪みが低減され切断時の割れを抑制することが可能となる。
【００１６】
本明細書ではｒ軸のサファイアインゴットを切断加工の対象としてｒ面を有する加工体を得る例を用い以降の説明を行なうが、本発明の切断加工の対象はｒ軸のサファイアインゴットに限らない。例えば、ａ軸やｃ軸、その他の軸を主軸に育成したサファイアインゴットをｒ面に平行に切断する場合や、ａ軸やｃ軸、その他の軸を主軸に育成したサファイアインゴットからコアドリルやバンドソーなどで切り出した加工体に対してｒ軸に平行に切断する場合にも本発明は適応できる。
【００１７】
サファイアインゴットの切断刃としては、内周刃、外周刃などを使用することも可能であるが、一般的には、バンドソー、ワイヤソー等の無端状の切断刃を使用することが、切断時の単結晶のロスが少ないという点で好適である。また、切断刃の形状、材質も特に制限されるものではなく、一般的なものを使用することができる。
【００１８】
ｒ軸のサファイアインゴットをｒ面に平行に切断する際に割れを発生させないためには、該サファイアインゴットに対する切断刃の切込み方向が該サファイアインゴットのｒ面に対して平行かつ、該ｒ面と平行なａ軸とｒ面に対してｃ軸を投影した線とから形成される角を等分する線の方向から、１０°以上ずらした位置になるよう固定する。
【００１９】
図１にサファイア単結晶の方位図を示す。ｒ軸とｃ軸の成す角は５７．６°である。また、図２からｒ面に対して平行なａ軸が１本あることがわかる（図２の場合、ｒ面（１−１０２）に対してａ３軸が平行。以下、この軸を単にａ軸という）。ｒ面に対してｃ軸を投影した線を仮にｃ´とする（図３）。図４に示す網がけした領域をずらした位置（ａ軸とｃ´を等分する線から１０°以上ずらした位置）が切断刃の切込み好方向である。そして切断する際は切断刃をサファイアインゴットの内部に向かって移動させることにより切断を行ってもよいし、あるいは該切断刃を移動させるのではなく該サファイアインゴットを該切断刃に向かって移動させても良い。
【００２０】
サファイアインゴットを固定する際は、サファイアインゴットが切断中に動いて切断刃の側面に接触しないよう確実に固定することが重要である。固定が確実に出来ていないと切断中にインゴットが動き、その結果、切断刃の側面に結晶が接触するなどして発熱や切断の抵抗が大きくなり、切断刃の破断やサファイアインゴットの割れの原因となる。
【００２１】
また、本発明においてｒ軸のサファイアインゴットを切断する際は、該サファイアインゴットを揺動させながら切断しても良い。揺動可能な最大角度は、図４で示す網がけのない領域（ａ軸と、ｒ面に対してｃ軸を投影した線とから形成される角を等分する線の方向から、１０°以上ずらした領域）の角度（７０°）であり、この角度以上で揺動すると該サファイアインゴットが割れる可能性が高い。換言すれば、本発明においては、切り込み好方向が、ａ軸とｒ面に対してｃ軸を投影した線から形成される角を等分する線の方向に対して±１０°以内にならないように切断するものである。
【００２２】
サファイアインゴットを揺動させることで切断刃の接触面積が減り、切削液を切断箇所に供給しやすくなるだけでなく、切断時の抵抗や発熱の抑制ができる。
【００２３】
図５にバンドソーによるサファイアインゴットの切断の様子の一例を示す。この例では、サファイアインゴット１を移動テーブル２に載せ、マグネット３などの冶具を用いてサファイアインゴットを移動テーブルに固定する。移動テーブルはモーター駆動などにより移動が可能で移動速度の設定や間欠動作（後述する）を選択できる。また、切削液が切断箇所に供給できるよう切削液の噴出しノズル４の位置が調整できるようになっている。切断刃５はモーター駆動で高速回転しており、切断刃に向かってサファイアインゴットを載せた移動テーブルを移動させながらサファイアインゴットを切断する。切断中は切断箇所に切削液が吐出される。
【００２４】
サファイアインゴットを載せた移動テーブルを切断刃に向かって移動させる速度、あるいは切断刃をサファイアインゴットに向かって移動させる速度は毎分０．１〜１ｍｍ程度となるように設定することが好ましい。移動テーブルの移動速度が速いほど生産性は高まるが、移動速度を過度に速く設定し、この最大切断距離が上記範囲よりも大きくなってしまうと、切断刃がサファイアインゴットを切断する前に移動テーブルが移動することになり、切断刃がサファイアインゴットに押し付けられて刃が逃げるおそれがある。その結果、切断面の湾曲や負荷による切断刃の破断、サファイアインゴットの割れが起こる。逆に移動テーブルの移動速度が遅く、最大切断距離が上記範囲よりも小さくなってしまうと、切断に要する時間が長くなってしまい生産性が低くなる。
【００２５】
また、本発明においては切断中に間欠移動を行うことも可能である。間欠移動とは移動テーブルを切込み方向へ任意の時間間隔で移動と停止を交互に繰り返す動作である。即ち、移動テーブルを切込み方向へ連続的に移動して一気に切断を行うと、切断を短時間で行うことが出来たとしても、切断時の発熱が大きく、この結果、切断時の割れの発生が顕著となってしまう。一方、移動テーブルの切り込み方向への移動を間欠的に行うと、切断時の発熱を緩和し、切断時での割れの発生を有効に抑制することが可能となる。このような移動テーブルの移動は、例えば、切断刃とサファイアインゴットの外面が当接した時点を基準として、移動時間を１５〜３０秒、停止を１５〜３０秒として、移動及び停止を交互に繰り返すパターンとすることが、割れの発生を有効に抑制しつつ、短時間で切断を完了させる上で好適である。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２７】
実験に用いたサファイアインゴットのおおよその仕様は、以下の通りである。
サファイアインゴットの仕様
育成方法：チョクラルスキー法
育成軸：ｒ軸
全長：２６０〜２８０ｍｍ
直胴部直径：１５５〜１６５ｍｍ
上記仕様のサファイアインゴットを複数個用意し、それぞれ下記条件にて切断を行った。切断刃はバンドソーを使用した。
【００２８】
＜実施例１＞
切断方法：固定切断
切り込み方向：育成軸のｒ面に平行かつ、ｒ面に平行なａ軸方向（図６）
テーブルの移動：間欠移動
移動速度：０．７５ｍｍ／ｍｉｎ
間欠移動のパターン：１５秒移動、１５秒停止
切断箇所：インゴット上端から６３ｍｍ
切断の結果、サファイアインゴットの割れは発生しなかった。
【００２９】
＜比較例１＞
切断方法：回転切断
切り込み方向：育成軸のｒ面に平行
テーブルの移動：間欠移動
移動速度：０．７５ｍｍ／ｍｉｎ
間欠移動のパターン：１５秒移動、１５秒停止
切断箇所：インゴット上端から６１ｍｍ
切断の結果、切断開始後約３０分、約１１ｍｍ切断したところでサファイアインゴットの割れが発生した。
【００３０】
＜比較例２＞
切断方法：固定切断
切り込み方向：育成軸のｒ面に平行かつ、ｒ面に対してｃ軸を投影した線と、ａ軸を投影した線から形成される角を等分する線方向（図７）
テーブルの移動：間欠移動
移動速度：０．７５ｍｍ／ｍｉｎ
間欠移動のパターン：１５秒移動、１５秒停止
切断箇所：インゴット上端から５９ｍｍ
切断の結果、切断開始後約２０分、約８ｍｍ切断したところでサファイアインゴットの割れが発生した。
【符号の説明】
【００３１】
１：サファイアインゴット
２：移動テーブル
３：マグネット
４：切削液の噴出しノズル
５：切断刃
【図１】
2014175436.tif 000003
【図２】
2014175436.tif 000004
【図３】
2014175436.tif 000005
【図４】
2014175436.tif 000006
【図５】
2014175436.tif 000007
【図６】
2014175436.tif 000008
【図７】
2014175436.tif 000009