(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端にダイヤモンド砥粒のチップよりなる刃先部を備えた円筒状のコアビットと、該コアビットを回転駆動する回転駆動装置と、送りモータを備え、前記コアビットを上下方向に送る送り装置とを有するコアドリルと、平坦な基準面をテーブル上に載置したサファイア単結晶インゴットの前記基準面と平行をなす平坦な加工面をコアビットによるコアリング作業の邪魔にならない箇所で押えて固定する押え装置と、コアビット刃先部がインゴットへの切込み開始基準位置に達したか否かを検知する検知手段と、切込み時における前記刃先部の送り量を計測する計測手段と、前記検知手段による切込み開始基準位置の検知後、前記計測手段によって計測された送り量より前記刃先部の上下位置を求め、求めた刃先部の上下位置が前記加工面近くに設定された上位位置に達するまで、前記送りモータの回転数を低速に制御し、前記上位位置に達すると、前記送りモータの回転数を高速の設定数に増加させて該設定数に維持し、送り量より求めた前記刃先部の上下位置がテーブル近くに設定した下位位置に達すると、低速送りとなるように前記送りモータの回転数を制御する制御装置とを有するコアリング装置において、前記押え装置は、コアビットの軸心に通され、下端に押え具を備えた中空な押え棒と、該押え棒を押下げる押下げ装置を有し、前記押え棒はコアビット内に開口を備え、外部より押え棒内に供給されたドレッシングパウダーが前記開口を通してコアビット内に放出されることを特徴とするコアリング装置。
【請求項２】
インゴットが載置されるテーブルをｘｙ制御し、インゴットにマーク付けされたマークをコアビットの軸心に一致させる位置決め手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のコアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア単結晶インゴットからコアドリルを用いて円柱状のブロックをくり抜くコアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア基板となるウェハは通常、サファイア単結晶インゴットから切削加工した円柱状のブロックを一定の厚みにスライスすることにより得られ、下記特許文献１には、ＣＺ法（チョクラルスキー法）又はＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed. Growth Method）等によって得られたサファイア単結晶インゴットからコアドリルを用い、円筒状のコアビットを２〜１０mm/minの送り速度で送って円柱状のブロックをくり抜くコアリング方法が開示されており、コアドリルを用いたコアリング方法は、断面が真円に近い精度の良好な円柱状のブロックを１回のコアリング作業で容易かつ短時間で得られる、としている。
【０００３】
下記特許文献１にはまた、所望の結晶方位を有するウェハを製造するためにサファイア単結晶インゴットの結晶成長方向であるａ軸に対して、所定の角度或いはａ軸と直交するｃ軸の方向へ穿孔することにより、サファイア単結晶インゴットと異なる結晶方位を有する円柱状のブロックをくり抜くコアリング方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９７１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
キロプロス法で成長させたサファイア単結晶インゴットは、図１に示すように、概して砲弾型で、結晶成長方向ａと直交する断面であり、一点鎖線で示すｃ軸方向の断面が略円形で結晶成長方向で変化するいびつな形状をなしている。
一方ＣＺ法で成長させたサファイア単結晶インゴットは、図２に示すように結晶成長方向が一点鎖線で示すｃ軸となり、該ｃ軸と直交する断面は略六角形をなしている。
【０００６】
いずれのインゴットにおいてもコアドリルを用いて、例えばｃ軸方向の円柱状のブロックを製造する場合には、機械切削加工によりa軸と平行な一つの基準面を作成し、ついでコアリング時のインゴットの方位が所望の方位となるように基準面を精密に研磨したのち、コアドリル下のプレート上に基準面を当て、接着剤にてサファイア単結晶インゴットを固定してコアリングを行うが、コアビットはドリルのようなセンターを有しないため狙った位置に正確に切り込むことが容易でない。すなわちインゴットへ切り込む際、図３に示すようにコアドリルを構成するコアビット１の刃先部２の一部がインゴット３の傾斜ないし湾曲部に当たると、刃先部２が図の矢印方向に逃げたり、ブレたりし易くなる。しかもサファイアは硬度が高いうえに靭性が低く脆いため、前述する刃先部のブレによりインゴットが欠けたり、割れやひびを生じ易い。
【０００７】
接着剤により固定されたインゴットは、コアリング作業を安定して行うことができるが、接着剤は固まるまでに時間がかかるうえ、折角基準面を精密に研磨しても介在する接着剤によりインゴットの方位が所望の方位よりずれて傾くことがある。またコアリング作業後は、インゴットとくり抜かれた円柱状のブロックをプレートより取外さねばならないが、接着剤を剥離するためには湯に入れて煮沸せねばならず、手間がかかり、時間も長くなる。
【０００８】
コアリング作業では、切込み開始時のインゴットに対するコアビット刃先部の位置決めは従来目視により行っており、また開始時の送りは０．１〜０．３mm/minの低速で、この低速送りは、上向きの突状をなすインゴットに対し、一般にはコアビットの刃先部の一部又は全てが切込まれ、切削が安定するまで行われるため時間がかかっていた。
【０００９】
本発明は、サファイア単結晶インゴットからコアドリルを用いて結晶方向のａ軸と所望の角度を有する結晶方位の円柱状ブロックをコアドリル刃先部の損傷をもたらすことなく、コアリングすることができるコアリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係わる発明は、先端にダイヤモンド砥粒のチップよりなる刃先部を備えた円筒状のコアビットと、該コアビットを回転駆動する回転駆動装置と、送りモータを備え、前記コアビットを上下方向に送る送り装置とを有するコアドリルと、平坦な基準面をテーブル上に載置したサファイア単結晶インゴットの前記基準面と平行をなす平坦な加工面をコアビットによるコアリング作業の邪魔にならない箇所で押えて固定する押え装置と、コアビット刃先部がインゴットへの切込み開始基準位置に達したか否かを検知する検知手段と、切込み時における前記刃先部の送り量を計測する計測手段と、前記検知手段による切込み開始基準位置の検知後、前記計測手段によって計測された送り量より前記刃先部の上下位置を求め、求めた刃先部の上下位置が前記加工面近くに設定された上位位置に達するまで、前記送りモータの回転数を低速に制御し、前記上位位置に達すると、前記送りモータの回転数を高速の設定数に増加させて該設定数に維持し、送り量より求めた前記刃先部の上下位置がテーブル近くに設定した下位位置に達すると、低速送りとなるように前記送りモータの回転数を制御する制御装置とを有するコアリング装置において、前記押え装置は、コアビットの軸心に通され、下端に押え具を備えた中空な押え棒と、該押え棒を押下げる押下げ装置を有し、前記押え棒はコアビット内に開口を備え、外部より押え棒内に供給されたドレッシングパウダーが前記開口を通してコアビット内に放出されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係わる発明は、請求項１に係わる発明において、インゴットが載置されるテーブルをｘｙ制御し、インゴットにマーク付けされたマークをコアビットの軸心に一致させる位置決め手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係わる発明によると、インゴットの加工面は平坦であるため、押え装置による押えが行い易いこと、押え装置でテーブル上のインゴットを押えることにより、従来法のように基準面を接着剤でプレートに接着させることなく、インゴットを固定させることができ、したがって接着剤を用いる従来法のような接着剤の固化時間や接着剤を剥がすための手間や時間が不要となり、その分時間が短縮され、作業性が向上すると共に、接着剤を介在させた場合のようにインゴットの方位が所望の方位よりずれることがないこと、インゴットの上部が山状をなしていると、刃先部の大部分がインゴットに切込まれ、切込み状態が安定するまでに必要な低速送りの時間が比較的長くかかるが、加工面が平坦であることにより刃先部が例えば１〜mmでも切込まれると安定し、低速送りの時間を短縮させ、コアリング作業に要する時間をより短縮させることができること、コアリング作業時の送りを自動化することができること、コアリング作業時、コアビットの切れ味が低下すると、従来はコアビットの回転を一旦停止してドレッシングパウダーをインゴットの切込み箇所に投入していたが、本発明においては、コアビットを停止させることなく、押え棒を通してコアビット内にドレッシングパウダーを供給することができること、等の効果を有する。
【００１５】
請求項２に係わる発明によると、テーブル上に載置されるインゴットの位置決めを目視によることなく精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】キロプロス法で作成したインゴットの概略図。
【図２】ＣＺ法で作成したインゴットの概略図。
【図３】コアビット刃先部がインゴットの傾斜部に当たるときの説明図。
【図４】本装置の模式図。
【図５】コアドリルユニットの正面図。
【図６】基準面と加工面が形成されるインゴットの概略図。
【図７】インゴットをテーブル上に設置した概略図。
【図８】インゴットをテーブル上に設置した別の態様を示す概略図。
【図９】インゴットを押え具で固定した状態を示す概略図。
【図１０】作業開始時、インゴットの加工面上に感圧シートを置いた状態を示す概略図。
【図１１】インゴットを押え具と固定具で固定した状態を示す概略図。
【図１２】冷却水とドレッシングパウダーを注入したときの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態のサファイア結晶インゴットのコアリング装置について図面により説明する。
図４は、コアリング装置全体の模式図を示すものであり、図５はコアリング装置のコアドリルユニットを示すもので、該コアドリルユニットは、先端にダイヤモンド砥粒のチップよりなる刃先部１１を備えたコアビット１２を有し、該コアビット１２は駆動モータ１３より歯車伝導装置１４を介して回転駆動される中空状の主軸１５の下端に取外し可能に取付けられ、垂直軸線の回りを回転駆動されるようになっている。
【００１８】
コアビット１２はまた、送りモータ１６を備えた送り機構１７により前記垂直軸線に沿って送られて昇降できるようになっており、送り機構１７は前記送りモータ１６により回転駆動されるボールネジ（図示しない）と、図５に示すボールネジの手前側にボールネジと並設されるガイドレール１８と、該ガイドレール１８に昇降可能に支持され、かつ前記ボールネジに螺着される図示しないナットを有するブラケット１９を有し、ブラケット１９は該ブラケット１９に固着の円筒体２０において前記主軸１５を回転自在に軸支し、垂直軸線方向には主軸１５と一体となって昇降するようになっている。
【００１９】
主軸１５の軸心には、後述の押下げ手段、例えばバネ装置、空気圧又は油圧シリンダー２２と共に押え装置を構成する中空な押え棒２１が昇降可能に通され、該押え棒２１は上方に突出する部分の上端において、コアドリルユニットの一部を構成する前記押下げ手段としての油圧シリンダー２２のピストンロッド２３に連結され、ピストンロッド２３の進退に伴って昇降すると共に、主軸１５よりコアビット内に突出する下部にドレッシングパウダー及び冷却水を放出する開口２５を備え、また下端に押え具２４を取付けている。そして押え棒２１の上端部には、図４に示されるようにドレッシングパウダーの供給ライン２７と冷却水、例えば水道水の供給ライン２８が接続され、供給ライン２７は例えばコンプレッサー等の圧縮空気源に接続され、ライン２７上にはドレッシングパウダーが入れられるホッパー２９と電磁弁３１が設けられ、電磁弁３１を開くと、圧縮空気源から圧縮空気がライン２７を通り、ホッパー内のドレッシングパウダーを伴って押え棒２１に供給されるようになっている。電磁弁３１を閉じると、ドレッシングパウダーの供給が停止される。
【００２０】
供給ライン２８は冷却水として水道水を用いる場合、蛇口に接続され、ライン上には電磁弁３２が設けられている。この電磁弁３２の開閉により冷却水の供給或いは停止が行われる。前記ブラケット１９はまた、９０°の角度で配置される一対のレーザラインマーカ３４を有し（図には一つのレーザラインマーカ３４のみを示し、他のレーザラインマーカは図示省略してある。）、各レーザラインマーカ３４から直線状のレーザ光がサファイア結晶インゴット３５に照射され、レーザ光の交点が表示されるようになっている。
【００２１】
コアドリルユニットのベース３７上には図５に示すように、ｙ方向に移動可能なテーブル３８ａと、該テーブル３８ａ下においてｘ方向に移動可能なテーブル３８ｂよりなるテーブル３８が設置され、テーブル３８ａはｙ軸用モータ４１と、図示しないボールネジ又はピニオンラック機構により矢印のｙ方向に送られ、またテーブル３８ｂはｘ軸用モータ４２と図示しないボールネジ又はピニオンラック機構によりｘ軸方向に送られるようになっている。
【００２２】
制御装置４４は、ＣＰＵと、送り制御用のプログラム、インゴット位置決め用のプログラム、送りモータ１６の回転数よりコアビット刃先部の上下位置を算出する計算式、などを格納するＲＯＭと、送りモータ１６の回転数を計測し、送り量計測の計測手段としてのエンコーダ４５（図４）によって計測された計測値、その他各種のデータを一時的に記憶するＲＡＭ等からなって全体がパソコンで構成されている。そして前記ｙ軸用モータ４１及びｘ軸用モータ４２を制御する機能と（両モータ４１及び４２はそれぞれ、制御装置４４によることなく、手動ボタンの操作によっても起動、停止を行うことができるようになっている）、油圧シリンダーの切換弁４３ａ、４３ｂをＯＮ−ＯＦＦ制御する機能と、前記電磁弁３１、３２をＯＮ−ＯＦＦ制御する機能と、コアビット１２を回転駆動する駆動モータ１３及び送りモータ１６を制御する機能と、送りモータ１６のエンコーダ４５から読取った回転数の累積値から前記コアビット刃先部１１の送り量を演算する機能と、前記インゴット３５上端の加工面上に載置され、検知手段を構成する感知シート（後述する）などからの検出信号からインゴット３５の前記加工面までの距離を求める機能と、求めたインゴット加工面までの距離と、インゴット３５が載置されるテーブル３８までの距離からインゴット３５の高さを演算し、加工面近く、例えば加工面から１〜２mmに設定され、切込みが安定する上位位置に達するまでは例えば０．０５〜０．１mm/minの超低速送りに、コアビット刃先部１１が前記上位地に達すると、例えば５〜１０mm/minの高速送りに、切終り近くの設定された下位置に達すると、例えば０．１〜０．３mm/minの低速送りになるように送りモータ１６を制御する機能と、外部からの入力手段により前記電磁弁３１、３２を開閉制御する機能とを有している。
【００２３】
本装置は以上のように構成され、サファイア単結晶インゴットから円柱状のブロックをくり抜くコアリング作業は次のようにして行われる。以下はインゴットとしてキプロス法で作成したインゴット３５を用いた例を示すものである。
始めに先ず、インゴット３５を結晶成長方向ａと平行な基準面と、該基準面と平行な加工面を機械切削加工により形成し（図６）、基準面を下向きにしてテーブル３５上にプレート４７、例えばカーボンプレートを介して設置する（図７）プレート４７を置く代わりに図８に示すようにテーブル３５に刃先部１１がオーバーカットする逃げのための環状溝４６を形成しておいてもよい。
【００２４】
次にインゴット３５から採取しようとする円柱状ブロックの円形断面の中心点に相当する箇所にマーク付けを行う。このマーク付けは例えばポンチを打ち込むか、或いはマジックその他筆記具によって記される。
【００２５】
マーク付け後、一対のレーザラインマーカ３４によりインゴット上に当てられた直交するラインの交点が前記マークに合致するようにボタン操作によってｙ軸用モータ４１及びｘ軸用モータ４２を起動停止操作しながらテーブル３８ａ、３８ｂのｘｙ制御を行う。
【００２６】
インゴット３５にマーク付けされたマークをレーザラインマーカ３４の交点に合致させることにより位置決めが行われ、したがってサファイア単結晶インゴット３５から採取しようとする円柱状ブロックの円形断面の中心が前記コアビットの回転中心に位置するように前記インゴットを位置決めする位置決め手段は、前記マーク付け、レーザラインマーカ３４、ｙ軸用モータ４１及びｘ軸用モータ４２等により構成されるが、インゴットの位置決め手段は、これに限定されるものではなく、既知の任意の手段を用いることができる。
【００２７】
次に図示しない外部入力手段から制御装置４４への入力により油圧シリンダー２２の切換弁４３ａ、４３ｂを切換え、押え棒２１を押下げて押え棒下端の押え具２４をインゴット３５の加工面に押付け、テーブル上のインゴット３５を固定する（図９）。固定後、刃先部１１が切込み開始基準位置に達したか否かを検知する検知手段、例えば刃先部１１が当たっても損傷しにくい銅板等よりなり、コアビットの刃先が接触すると通電する感知シート５１をテーブル３８上のインゴット３５の加工面上に置き、制御装置４４のコアリング開始ボタン(図示しない)を押す。すると、送りモータ１６が起動し、コアビット１２をガイドレール１８に沿って降下させる。コアビット１２の降下は刃先部１１が前記感知シート５１に達し（図１０）、該感知シート５１の通電が制御装置４４に出力されるまで行われ、制御装置４４は前記出力が行われると、刃先部１１が切込み開始基準位置に達した、と判断し、このときの送り量を送りモータ１６の回転数を読取ったエンコーダ４５の累積値から演算する。そして予め求めておいた上死点に位置する刃先部１１とテーブル３８間の距離から感知シート５１の厚みを差し引いてインゴット３５の高さを求める。
前記感知シート５１からの出力によって制御装置４４はまた、送りモータ１６を一旦一定量逆回転させ、コアビット刃先部１１を設定時間の間、若干持ち上げる。
【００２８】
コアビット１２の刃先部１１が若干持上げられた時点で感圧シート５１がインゴット３５の加工面上から取外される。設定時間経過すると、制御装置４４が送りモータ１６を制御し、コアビット１２を前記切込み開始基準位置（因みにこの基準位置は、インゴットの加工面に感知シート５１の厚みを加えたものとなる）まで降下させる。コアビット１２の送り速度は、前記切込み開始基準位置までは高速で、切込み開始基準位置に達すると、超低速に送りモータ１６を制御する。超低速な送りは、刃先部１１が加工面から例えば１〜２mmに設定された上位位置に達するまで行われ、上位位置に達すると高速送りに切換えられる。以後この高速送りが維持される。この高速送りは送り量から求めた刃先部１１の上下位置が基準面から例えば１〜２mmに設定された下位位置に達するまで行われ、下位位置に達すると、低速送りに切換えられる。
【００２９】
図１１において、ａは加工面から前記上位位置までの超低速送りが行われる区間、ｂは下位位置から基準面まで低速送りが行われる区間を示し、ａｂ間は高速送りが行われる区間を示している。
【００３０】
コアリング終了時において、刃先部１１がカーボンプレート４７に達すると、送りモータ１６が停止される。この間、切れ味の低下を目視すると、図示しない外部入力手段から制御装置４４への入力により、制御装置４４は電磁弁３１、３２を開き、ドレッシングパウダーと冷却水を押え棒２１内に通し、下端の開口２５よりコアビット内に周辺に向けて放出する。放出された冷却水とパウダーは切込み溝内に入り込み、刃先部を冷却すると共に、ドレッシングを行う（図１２）。これによりコアリングが連続して行えるようになる。なお、冷却水とパウダーの注入を目視によって行う代わりに、送りモータ１６及び又は駆動モータ１３のトルクを計測し、該計測値又はその変化率が設定値に達したとき、制御装置４４が電磁弁３１、３２を制御し、冷却水とパウダーの注入を行うようにしてもよい。この場合、冷却水とパウダーの注入が自動的に行えるようになる。
【００３１】
前記実施形態では、インゴット上に感知シート５１を置き、コアビット刃先部１１が感知シート５１に接触した位置で切り込み開始時の刃先部１１の上下方向の位置決めが行われ、前記位置でコアビット１２を一旦若干上昇させたのち、再度降下し、前記位置よりコアビット１２を超低速で送る操作を自動的に行うようにしているが、切込み開始基準位置上方の前記一旦上昇した位置からコアビット１２を超低速で送るようにしてもよいし（作業時間は若干増加するが）、前述するようなコアビット刃先部１１の位置決め操作を行わないで、いきなりコアビットを目測にて降下させ、インゴット３５に接触する直前で送りを一旦停止して位置決めし、その後、前述するような自動運転を行うようにすることもできなくはないが、コアビット１２をインゴット３５に接触する直前で一旦停止させて位置決めする作業は微調整が困難であり、誤ってコアビット刃先部１１がインゴット３５に接触した場合、刃先部１１が破損し易くなる。
【００３２】
テーブル上のインゴット３５は前述するように、押え具２４によって固定されるが、押え具２４以外に図８、図１１及び図１２に示すような固定具５３を設け、該固定具５３でインゴット３５の周縁を押えて固定しておくのが望ましい。コアリング終了に伴ってくり抜かれた円柱状のブロックは周りのインゴット３５と縁切りされるが、ブロックは押え具２４により固定されていても縁切りされた周りのインゴット３５は非固定状態となるためである。前記押え装置は、前述するように押え具２４より構成されるが、固定具５３は押え装置に含めてもよいし含めなくてもよい。
【００３３】
前記固定具５３は、テーブル３８に縦向きに取付けられる軸５４と、該軸５４に上下方向にスライド可能に取付けられる押え部５８と、軸上端に取着の押え板５６と押え部５８との間の軸５４に装着されるバネ５７よりなっている。
【００３４】
コアリング時においては、図５に示すように、テーブル上にインゴット３５を囲む囲い５５を設け、粉塵が飛散しないようにするのが望ましい。
【００３５】
前記実施形態では、インゴットとしてキロプロス法で作成したインゴットを用いたが、図２に示すようにＣＺ法で作成したインゴットを使用する場合には、結晶成長方向ｃと直行するａ軸方向に一点鎖線で示す基準面と加工面を同様にして形成する。
【符号の説明】
【００３６】
１１・・刃先部
１２・・コアビット
１３・・駆動モータ
１５・・主軸
１６・・送りモータ
２１・・押え棒
２２・・油圧シリンダー
２４・・押え具
２５・・開口
３４・・レーザマーカ
３５・・インゴット
３８・・テーブル
４４・・制御装置
４７・・カーボンプレート
５１・・感圧シート
５３・・固定具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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