(57)【要約】【課題】シリコンインゴット等の被加工物を切断するための、破断しにくいプラズマ電極【解決手段】プラズマ加工装置１００の反応室１０１内で、ＳＦ6存在下でリボン状電極１０と被加工物であるシリコンインゴット２０との間に高周波を印加してフッ素ラジカルを発生させる。シリコンインゴット２０は厚さ２０μｍ以下のリボン状電極１０の側辺１０ａ付近に発生したフッ素ラジカルにより徐々にエッチングされる。昇降台４０によりシリコンインゴット２０を徐々に上方向に移動させることでシリコンインゴット２０は５０μｍ以下のカーフロスで切断され、ウエハを得る。リボン状電極１０を、ロール３１及び３２で把持し、当該ロール３１及び３２を同方向に回転させて、リボン状電極１０を図面左から右へ走行させて、リボン状電極１０の損耗を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と被加工物との間にプラズマを発生させて、被加工物を切断するプラズマ加工装置において、
前記電極は両端が把持されたリボン状であって、被加工物に対して切断面に平行に配設され、
当該リボン状電極の側辺と被加工物との間にプラズマを発生させることにより、被加工物を切断することを特徴とするプラズマ加工装置。
【請求項２】
前記リボン状電極は、両端が各々ロールに巻き付けられて把持されており、当該２個のロールを回動可能として、前記被加工物に対して前記リボン状電極を走行可能としたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ加工装置。
【請求項３】
前記リボン状電極は輪環状であって、２個以上のロールにより周回可能に張持されており、当該２個以上のロールを回動可能として、前記被加工物に対して前記リボン状電極を走行可能としたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ加工装置。
【請求項４】
前記リボン状電極は、被加工物と対峙する前記側辺以外の表面が、絶縁性被膜で覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ加工装置。
【請求項５】
前記絶縁性被膜は二酸化ケイ素、窒化ケイ素又はフッ化炭素であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ加工装置。
【請求項６】
前記リボン状電極は、被加工物と対峙する前記側辺に、ダイヤモンド薄膜、グラファイト、カーボンナノウォール、カーボンナノチューブその他の電子の放出を容易とする構成を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ加工装置。
【請求項７】
前記被加工物はシリコンインゴットであり、切断によりシリコンウエハを得るものであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ加工装置。
【請求項８】
前記被加工物は、シリコン、ゲルマニウム、炭素、ガリウム砒素、窒化ガリウム及びシリコンカーバイドその他の半導体、金属その他の導体、セラミックス及びガラスその他の絶縁物、並びに、プラスチック及びバイオ材料等から成る有機物を主成分とする固形物であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマを用いた加工装置に関する。本発明は特定のプラズマとの反応により揮発性気体を生じる材料の切断に適しており、金属その他の導体、シリコンその他の半導体、或いはセラミックスやガラス等の絶縁物の切断に用いることができ、特にシリコンその他の半導体単結晶からウエハを得る切断装置として有用である。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを用いた切断装置として、下記の特許及び出願が知られている。
【特許文献１】特許第２５２１１２７号公報
【特許文献２】特開平５−１９５２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１及び２は、いずれも電極としてワイヤを用いるものであり、特許文献２においては、直径０．１ｍｍのモリブデンから成るワイヤによる８''のシリコン単結晶（インゴット）の切断例が例示されている。
【０００４】
特許文献２のように、切り代（カーフロス）を数百μｍとしている点は、コスト面から問題である。しかし、ワイヤを細くすると容易に破断してしまうので、ワイヤを用いた切断方法は切り代（カーフロス）の面から制約があった。
【０００５】
そこで本発明の目的は切り代（カーフロス）を減らし、かつ破断しにくいプラズマ電極を用いた加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、電極と被加工物との間にプラズマを発生させて、被加工物を切断するプラズマ加工装置において、電極は両端が把持されたリボン状であって、被加工物に対して切断面に平行に配設され、当該リボン状電極の側辺と被加工物との間にプラズマを発生させることにより、被加工物を切断することを特徴とする。また、請求項２に記載の手段によれば、リボン状電極は、両端が各々ロールに巻き付けられて把持されており、当該２個のロールを回動可能として、被加工物に対してリボン状電極を走行可能としたことを特徴とする。但し、「回動」には一方向の連続回転も含まれるものとする。この場合、リング状のリボンを少なくとも２個のロールで張る構成となる。また、請求項３に記載の手段によれば、リボン状電極は輪環状であって、２個以上のロールにより周回可能に張持されており、当該２個以上のロールを回動可能として、被加工物に対してリボン状電極を走行可能としたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項４に記載の手段によれば、リボン状電極は、被加工物と対峙する側辺以外の表面が、絶縁性被膜で覆われていることを特徴とする。また、請求項５に記載の手段によれば、絶縁性被膜は二酸化ケイ素、窒化ケイ素又はフッ化炭素であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項６に記載の手段によれば、リボン状電極は、被加工物と対峙する側辺に、ダイヤモンド薄膜、グラファイト、カーボンナノウォール、カーボンナノチューブその他の電子の放出を容易とする構成を有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項７に記載の手段によれば、被加工物はシリコンインゴットであり、切断によりシリコンウエハを得るものであることを特徴とする。更に請求項８に記載の手段によれば、被加工物は、シリコン、ゲルマニウム、炭素、ガリウム砒素、窒化ガリウム及びシリコンカーバイドその他の半導体、金属、セラミックス及びガラスその他の絶縁物、並びに、プラスチック及びバイオ材料等から成る有機物を主成分とする固形物であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被加工物を切断するプラズマ加工装置において、電極は両端が把持されたリボン状であるので、ワイヤを用いた場合と比較して破断に対する強度が著しく増す。よってワイヤであれば不可能であった、厚さを例えば５０μｍとして、切り代（カーフロス）の幅を例えば５０μｍ程度に減少させることも可能である。尚、本発明は主として溶融を用いた放電加工ではなく、発生させたラジカル、又はラジカル及びイオンによるエッチングにより被加工物が研削されるものである。
【００１１】
被加工物に対してリボン状電極を走行可能とすることで、当該電極の放電による電極側辺の損耗をリボン状電極の側辺全体に分散させることが可能となる。また、リボン状電極が走行すると、プラズマを発生させるためのガスが粘性により、被加工物の切断位置、即ちプラズマ発生領域に逐次送り込まれる。これにより常にプラズマを発生させるためのガスが必要領域に供給されることとなる（請求項２、３）。
【００１２】
リボン状電極は、被加工物を切断するためには側辺にのみプラズマを発生させることが有利であり、より好ましくは他の表面は絶縁性被膜で覆うと良い。これにより被加工物と対峙する側辺にのみプラズマが発生し、一端切断された断面を更に浸食することがなくなり、カーフロスを抑制することができる（請求項４）。絶縁性被膜は安価で被膜形成が容易な二酸化ケイ素、窒化ケイ素又はフッ化炭素を用いると良い（請求項５）。
【００１３】
更には、被加工物と対峙する側辺に、ダイヤモンド薄膜、グラファイト、カーボンナノウォール、カーボンナノチューブその他の電子の放出を容易とする構成を有することで、被加工物と対峙する側辺から更に集中的に電子が放出される（請求項６）。本発明はシリコンインゴットからシリコンウエハを得る装置に最も適している（請求項７）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
リボン状電極は、ステンレスを用いると良いが、任意の電極材料、例えば、モリブデン、タンタル、ニッケル、銅、タングステン、又は、これらの合金などを使用することができる。リボン状電極の厚さは５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは３０μｍ以下、更に好ましくは２０μｍ以下である。リボン状電極の幅は０．５〜５ｃｍが好ましく、より好ましくは０．７〜３ｃｍ、更に好ましくは１〜２ｃｍである。
【００１５】
プラズマを発生させるためのガスは被加工物に応じて、周知のガスを選択できる。例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒその他の希ガスと、アンモニア、６フッ化イオウ、３フッ化窒素、或いは４フッ化炭素その他のフッ化脂肪族系炭素化合物などとの混合ガスが挙げられる。また、被加工物の成分により、フッ素、塩素、臭素等のハロゲンガス又はハロゲン化合物ガス及びそれらを含む混合ガス、或いは酸素ガス又は酸素を含む混合ガスを用いることもできる。特にシリコンインゴットの切断又はウエハ切断には、フッ素系のガスが好ましい。ガスの流速、供給量、或いは真空度は任意に設定できるが、大気圧が好ましい。また、リボン状電極と被加工物に接続する電源は、直流、交流、高周波電源その他任意であって、周波数に制限はない。リボン状電極に13.56ＭＨｚの高周波を印加し、被加工物に直流バイアス又は交流バイアス、例えば２ＭＨｚの交流バイアスを印加する方法を用いても良い。ガスのプラズマ化はアーク放電が発生しない状態のグロー放電状態に制御すると良い。
【００１６】
リボン状電極に形成する絶縁性被膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、フッ化炭素その他の公知の方法で形成可能な絶縁性被膜を用いることができる。膜厚は１０μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下である。
【００１７】
リボン状電極の被加工物と対峙する側辺に、電子放出性の構造体を形成する方法としては、例えば次に示すような公知の方法を用いることができる。
ダイヤモンド薄膜については、例えば特許第３０６２５８９号公報記載のダイヤモンド薄膜形成方法を用いることができる。
カーボンナノウォールについては、米国特許出願公開第２００３／０１２９３０５号明細書、特開平９−１３７２７４号公報、特開平１０−１０２２５１号公報、本発明者堀らによる「International Work Shop on Plasma Nano-Technology and Its Future Vision」（日本応用物理学会、２００４年２月）での発表予稿集記載の方法を用いることができる。
この他、グラファイト、カーボンナノチューブについても、公知の方法により形成できる。
【００１８】
リボン状電極を走行可能とさせる装置系を用いる場合は、任意に設計される。切断加工が進捗するに従ってリボン状電極又は被加工物を移動させて、リボン状電極と切断位置との距離を適切に保つことが有用である。尚、リボン状電極を停止した状態又は回動させた状態で被加工物を回転させながら切断することも有用である。リボン状電極の「回動」は、一定時間毎に走行させる方向を変える場合の他、往復振動や、一連のリング状として完全に一方向の回転であっても良い。尚、走行速度は0.01m/s〜10m/sが好ましい。
【００１９】
以下の実施例においては、シリコンインゴットをスライスしてウエハを得る例を示すが、本願発明はこれに限定されない。シリコン、ゲルマニウム、炭素、ガリウム砒素、窒化ガリウム及びシリコンカーバイドその他の半導体、金属その他の導体、セラミックス及びガラスその他の絶縁物、並びに、プラスチック及びバイオ材料等から成る有機物を主成分とする任意の固形物に適用可能である。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明の具体的な一実施例のプラズマ加工装置１００の要部を示す構成図（斜視図）である。図１のプラズマ加工装置１００は、主としてステンレスから成る密閉された反応室１０１及びその内部の構成と、３つのモータ３１１、３２１及び４１１とギアボックス３１２、３２２及び４１２、ラック４１ａとピニオン４２、高周波電源５１及び５２、並びに制御盤６０とから構成される。ギアボックス３１２、３２２及び４１２は、３つのモータ３１１、３２１及び４１１の減速用又は加速用に設けられるものであって、モータ３１１、３２１及び４１１の回転速度によっては省略することが可能なものである。
【００２１】
反応室１０１には、ＳＦ6及びＡｒ導入管１０２、排気管１０３が設けられており、各々図示しない、ＳＦ6及びＡｒの導入系、排気系及びＳｉＦ4等の排ガスを処理する排ガス処理系に接続されている。ＳＦ6及びＡｒ導入管１０２の先端部１０２ａは絞られてノズル状になっており、シリコンインゴット２０の切断面２０ａと対峙するリボン状電極１０の側辺１０ａ近傍に集中的にＳＦ6及びＡｒを噴出する構成となっている。
【００２２】
反応室１０１外部のギアボックス３１２及び３２２は、反応室１０１内部のロール３１及び３２を駆動すべく連接されている。リボン状電極１０は、ロール３１及び３２に巻き付けられて把持されている。こうして、モータ３１１及び３２１を制御することで、ギアボックス３１２及び３２２を介してロール３１及び３２が回動し、リボン状電極１０が、例えば図面右方向へ走行可能となっている。
【００２３】
また、ラック４１ａを有する昇降軸４１は反応室１０１内部の昇降台４０と連接されている。こうして、モータ４１１を制御することで、ギアボックス４１２を介してピニオン４２が回動し、ラック４１ａを有する昇降軸４１が上下して、昇降軸４１に連接された昇降台４０に載置されるシリコンインゴット２０を昇降可能にしている。
【００２４】
また、リボン状電極１０には高周波電源５１から13.56MHzの高周波電位が印加され、シリコンインゴット２０には高周波電源５２から２ＭＨｚの交流バイアスが印加される。これらの構成において、モータ３１１、３２１及び４１１、高周波電源５１及び５２は制御盤６０にて制御される。尚、図示していない、ＳＦ6及びＡｒの導入系、排気系及びＳｉＦ4等の排ガスを処理する排ガス処理系をも制御盤６０にて制御する構成としても良い。
【００２５】
こうして、ロール３１及び３２の間のリボン状電極１０の面に切断予定面２０ａが平行となるように、被加工物であるシリコンインゴット２０を配設する。リボン状電極１０に13.56MHzの高周波電位を、シリコンインゴット２０に２ＭＨｚの交流バイアスを印加し、リボン状電極１０のシリコンインゴット２０と対峙する側辺１０ａとシリコンインゴット２０との間でグロー放電によりフッ素プラズマを生成させ、当該フッ素プラズマにより切断予定面２０ａに沿ってシリコンインゴット２０をエッチングして切断する。シリコンインゴット２０がエッチングされるに従い、昇降台４０を上昇させることでシリコンインゴット２０は５０μｍ以下のカーフロスで切断される。また、ロール３１及び３２を同方向に回転させて、リボン状電極１０を図面例えば左から右へ走行させて、リボン状電極の損耗を抑制すると共にプラズマ発生室内の気体の粘性により、ＳＦ6及びＡｒをプラズマ発生領域へ送りこむ。
【００２６】
図１ではエッチングが進捗するに従い、シリコンインゴット２０を持ち上げていく構成を示したが、リボン状電極１０をロール３１及び３２と共に降下させる構成としても良い。また図１では外部構成としたモータ及びギアボックス等を全てプラズマ発生装置内部に設けても良い。尚、上記説明ではリボン状電極の厚みや切り代（カーフロス）の厚みを無視して「平面」として扱うことがある。「切断予定面２０ａ」も、実質的には厚みを有する切り代（カーフロス）と意味は同一である。
【００２７】
図２は本実施例のリボン状電極１０の断面図である。ステンレスから成り、厚さ２０μｍの導電性リボン１の側辺（図２で下側の短辺）に厚さ１μｍのダイヤモンド薄膜（電子放出性構造）３が形成され、他の表面には厚さ１μｍのＳｉＯ2から成る絶縁性被膜２が形成されている。リボン状電極１０は、ダイヤモンド薄膜（電子放出性構造）３から特に電子が放出されやすい構造となっている。
【００２８】
図３は本実施例のリボン状電極１０による被加工物であるシリコンインゴット２０のエッチングが進捗した状態を示した部分的断面図である。図３に示す通り、リボン状電極１０のダイヤモンド薄膜（電子放出性構造）３部分から集中して電子が放出されるため、プラズマはリボン状電極１０のダイヤモンド薄膜（電子放出性構造）３の下方に集中し、他の部分、例えばＳｉＯ2から成る絶縁性被膜２と切断中のシリコンインゴット２０との間隙にはプラズマは発生しない。これにより、切断方向にプラズマが集中し、リボン面と対峙する「切断の終了した部分である」被加工物の断面との間にはプラズマが発生しないので、カーフロスを抑制する効果が大きい。この効果はダイヤモンド薄膜（電子放出性構造）３とＳｉＯ2から成る絶縁性被膜２とが各々有する効果であるが、２つを併せ持つことにより、当該効果は相乗的なものとなる。
【００２９】
上記実施例において、シリコンインゴット２０の上昇速度を制御するため、高周波電源５１の電流を検知してシリコンインゴット２０とリボン状電極１０の上下方向の間隔を算出する構成を追加しても良く、また、光学的手段によりシリコンインゴット２０とリボン状電極１０の上下方向の間隔を算出する構成をしても良い。尚、リボン状電極とシリコンインゴットのプラズマをモニタすること、例えば発光分光計測や吸収分光計測を行い、プラズマが常に最適な状態になるように高周波電源、バイアス電流、ガス組成、ガス流量を制御する構成としても良い。
【００３０】
上記実施例ではリボン状電極１０として、導電性リボン１の側辺に電子放出性構造３を、他の表面に絶縁性被膜２を形成したものを示したが、側辺の電子放出性構造３と他の表面の絶縁性被膜２の何れか一方又は両方を省略したリボン状電極を用いても良い。
【００３１】
上記実施例では交流バイアスをシリコンインゴット２０に印加する構成としたが、交流バイアスは印加しなくても良い。或いは直流バイアスを印加する構成としても良い。
【００３２】
上記実施例では２つのロールに１本のリボン状電極を把持させて走行可能とした構成を示したが、図４に示す通り、リング状としたリボン状電極１０'を２つのロール３１'及び３２'と、矢印で示した図面上下方向（水平方向に手前側と奥側）に移動可能としたリール３３とにより、走行可能とする構成でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の具体的な一実施例の構成図（斜視図）。
【図２】リボン状電極の断面図。
【図３】リボン状電極により、被加工物を切断している状況を示す断面図。
【図４】リボン状電極をリング状とした場合の要部を示す構成図。
【符号の説明】
【００３４】
１００：プラズマ加工装置
１０１：反応室
１０２：ＳＦ6導入管
１０３：排気管
１０：リボン状電極
１０ａ：被加工物と対峙する側辺
１：導電性リボン
２：絶縁性被膜
３：電子放出性構造
２０：シリコンインゴット（被加工物）
２０ａ：切断予定面
３１、３２：ロール
３１１、３２１、４１１：モータＭ
３１２、３２２、４１２：ギヤボックス（変速機）
４０：昇降台
４１：昇降軸
４１ａ：昇降軸のラック
４２：ピニオン
５１、５２：高周波電源
６０：制御盤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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