(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
挟持された被加工物を両側から所望の圧力で加圧する１対の加圧治具と、前記被加工物を前記加圧治具の外側から予熱する予熱装置と、前記加圧治具に電流を印加する電流発生装置と、を備え、電流が、一方の前記加圧治具、前記被加工物、他方の前記加圧治具を経由する１つの電流経路で流れる加工装置、および、前記被加工物として半導体結晶体を準備する工程と、
前記加圧治具によって、前記半導体結晶体を挟持する工程と、
前記予熱装置によって前記半導体結晶体を加熱し、前記半導体結晶体の温度を、圧力を加えても破損しない温度以上に昇温させたうえで、前記加圧治具によって前記半導体結晶体に圧力を加え、前記半導体結晶体を予備加圧する工程と、
前記予熱装置によって前記半導体結晶体を加熱し、前記半導体結晶体の温度を予め定めた温度以上にし、前記半導体結晶体の抵抗値を予め定めた抵抗値以下にする工程と、
前記電流経路に電流を印加し、前記半導体結晶体を自己発熱させて、前記半導体結晶体の温度を、前記半導体結晶体が加圧により塑性変形する温度以上かつ前記半導体結晶体の融点温度未満の予め定めた目標温度に昇温させる工程と、
前記電流経路に電流を印加し続け、前記半導体結晶体の温度を前記目標温度に維持したまま、前記加圧治具によって前記半導体結晶体に前記予備加圧よりも大きな圧力を加え、前記半導体結晶体を予め定めた形状に塑性変形させる工程と、を備えた半導体結晶体の加工方法。
【請求項２】
前記半導体結晶体を前記目標温度に昇温させる前記工程が、予め定めた温度傾斜で前記半導体結晶体の温度が上昇するように、前記半導体結晶体の温度を測定しながら、測定された前記半導体結晶体の温度に基づいて前記電流経路に印加する電流の電流値および電圧値の少なくとも一方を調整しておこなう、請求項１に記載された半導体結晶体の加工方法。
【請求項３】
挟持された被加工物である半導体結晶体を両側から所望の圧力で加圧する１対の加圧治具と、
前記半導体結晶体を前記加圧治具の外側から予熱する予熱装置と、
前記加圧治具に電流を印加する電流発生装置と、
前記半導体結晶体の温度を測定する温度測定器と、
前記半導体結晶体の抵抗値を測定する抵抗値測定器と、
１対の前記加圧治具の位置合わせガイドとして、１対の前記加圧治具を囲むように配置された、筒状の、導電性材料からなる導電性ダイの表面に絶縁層が形成された絶縁処理ダイと、を備え、
前記絶縁処理ダイが前記予熱装置を兼ね、当該絶縁処理ダイの前記絶縁層の内側の前記導電性ダイに電流を印加することによる前記導電性ダイの発熱により、前記半導体結晶体を予熱し、
電流が、一方の前記加圧治具、前記半導体結晶体、他方の前記加圧治具を経由する１つの電流経路で流れる半導体結晶体の加工装置。
【請求項４】
前記抵抗値測定器が、前記電流発生装置の出力電流値および出力電圧値を測定し、当該測定値から前記半導体結晶体の抵抗値を演算する、請求項３に記載された半導体結晶体の加工装置。
【請求項５】
更に、前記温度測定器で測定された被加工物である前記半導体結晶体の温度が、予め定められた電流印加開始温度まで上昇した場合に、前記電流発生装置が前記加圧治具に電流の印加を開始する、電流印加開始タイミング制御手段を備えた、請求項３または４に記載された半導体結晶体の加工装置。
【請求項６】
更に、前記抵抗値測定器で測定された被加工物である前記半導体結晶体の抵抗値が、予め定められた電流値上昇開始抵抗値まで降下した場合に、前記電流発生装置が前記加圧治具に印加している電流の電流値を上昇させる、電流値上昇開始タイミング制御手段を備えた、請求項３ないし５のいずれか１項に記載された半導体結晶体の加工装置。
【請求項７】
前記電流発生装置が、多相半波整流回路または多相全波整流回路を備え、前記加圧治具に印加する電流のデューティ比を２０％〜１００％の範囲で調整することができる、請求項３ないし６のいずれか１項に記載された半導体結晶体の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶体の加工方法に関し、さらに詳しくは、加工品質が高く、加工再現性が高く、加工に要するエネルギーが小さい半導体結晶体の加工方法に関する。
【０００２】
また、本発明は、半導体結晶体の加工装置に関し、さらに詳しくは、上記本発明の半導体結晶体の加工方法を実施するのに適した加工装置であって、加工品質が高く、加工再現性が高く、加工に要するエネルギーが小さい半導体結晶体の加工装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体結晶体が、赤外線透過光学デバイスなどの素材として着目されている。たとえば、Ｓｉ半導体結晶体やＧｅ半導体結晶体は、屈折率が３〜４と大きく、赤外線域で高い透過率があるため、レンズや窓材に広く使用されている。
【０００４】
しかしながら、半導体結晶体は、高い硬度を備えているがゆえに、取り扱いを誤るとクラックなどの欠陥が発生しやすく、加工が容易ではない。
【０００５】
半導体結晶体の加工方法については、種々の研究がなされている。
【０００６】
たとえば、特許文献１（特許第４３３１５７２号公報）には、Ｓｉ半導体結晶体（Ｓｉ単結晶体）を、１対の加圧治具（上部ボード・下部ボード）の間に挟み、１３７４℃以上、融点未満に加熱したうえで、加圧治具によって加圧することによって、Ｓｉ半導体結晶体を塑性変形させて加工する半導体結晶体の加工方法が開示されている。
【０００７】
特許文献１の半導体結晶体の加工方法は、従来難しかった半導体結晶体の塑性変形による加工を可能にした画期的な発明であり、エックス線装置のレンズなどの加工に利用されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の半導体結晶体の加工方法は、加工温度が高いため、加圧治具の材質に制約があり、たとえばグラファイトなどの精密加工が難しい材質を使用せざるを得なかった。そのため、加圧治具の半導体結晶体との当接面を複雑な形状にしたり、高精度に仕上げたりすることができず、半導体結晶体を単純な形状にしか加工できないという問題があった。なお、グラファイトは、硬度が低く簡単に加工できるが、緻密でないため精密加工に絶えない。ただし、グラファイトは、２０００℃超の耐熱性や高い熱間強度を持つ。
【０００９】
この問題を解決した半導体結晶体の加工方法が、特許文献２（特許第５３８２３８２号公報）に開示されている。
【００１０】
特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、半導体結晶体にパルス電流を印加し、半導体結晶体を自己発熱させることによって、特許文献１の半導体結晶体の加工方法よりも、低い温度での半導体結晶体の加工を可能にしている。
【００１１】
図８に、特許文献２の半導体結晶体の加工方法に使用する、半導体結晶体の加工装置３００を示す。
【００１２】
半導体結晶体の加工装置３００は、１対の加圧治具として、導電性材料からなる上パンチ１０１、下パンチ１０２を備える。上パンチ１０１および下パンチ１０２は、筒状の、同じく導電性材料からなる導電性ダイ（ダイス）１０３の内部に収容されている。導電性ダイ１０３は、上パンチ１０１と下パンチ１０２のガイドとしての役割を担っているが、後述するように、パルス電流が印加され、自ら発熱して被加工物である半導体結晶体を予熱する役割も担っている。
【００１３】
半導体結晶体の加工装置３００は、図示しないが、パルス電流発生装置（パルス電流発生手段）を備えている。パルス電流発生装置は、上パンチ１０１と下パンチ１０２の間に、所望のパルス電流を印加する。
【００１４】
次に、半導体結晶体の加工装置３００を使用した半導体結晶体の加工方法について説明する。なお、説明は、特許文献２から転載した上記の図８と、本件出願人が説明のために別途作成した図９の説明図を参照しながらおこなう。なお、図９の説明図は、加工装置３００を縦方向に２分割し、その断面を示した分解斜視図からなる。
【００１５】
まず、被加工物として、たとえばＳｉ半導体結晶体（以下の説明において単に「半導体結晶体」と記載する場合がある）１０４を準備し、上パンチ１０１と下パンチ１０２の間に挟み込む。
【００１６】
半導体結晶体の加工装置３００は、図９に示すように、破線で示す２つの電流経路Ｘ、Ｙを有している。
【００１７】
パルス電流発生装置において発生させたパルス電流を、上パンチ１０１と下パンチ１０２の間にパルス電流を印加すると、パルス電流を印加し始めた初期には、パルス電流は上パンチ１０１、導電性ダイ１０３、下パンチ１０２を繋ぐ電流経路Ｘを流れ、上パンチ１０１、半導体結晶体１０４、下パンチ１０２を繋ぐ電流経路Ｙには流れない。すなわち、半導体結晶体１０４は、常温においては、極めて高い抵抗率を持つため、印加されたパルス電流は、半導体結晶体１０４を含む電流経路Ｙを回避し、上パンチ１０１、導電性ダイ１０３、下パンチ１０２を繋ぐ電流経路Ｘを流れるのである。なお、常温におけるＳｉ半導体結晶体１０４の抵抗率（μΩ・ｃｍ）は、上パンチ１０１、下パンチ１０２、導電性ダイ１０３の材料であるグラファイトや超硬の抵抗率に比べて、１０００倍から１００００倍大きい。
【００１８】
パルス電流が、上パンチ１０１、導電性ダイ１０３、下パンチ１０２を繋ぐ電流経路Ｘを流れると、上パンチ１０１、導電性ダイ１０３、下パンチ１０２が発熱し、次第に半導体結晶体１０４の温度が上昇する。半導体結晶体１０４は、温度が上昇すると抵抗値が降下する負の温度特性を備えている。そのため、パルス電流が電流経路Ｘに流れ、上パンチ１０１、導電性ダイ１０３、下パンチ１０２が発熱すると、半導体結晶体１０４の温度が上昇し、半導体結晶体１０４の抵抗値が降下し、次第に、パルス電流は、上パンチ１０１、半導体結晶体１０４、下パンチ１０２を繋ぐ電流経路Ｙにも流れ始める。
【００１９】
この結果、半導体結晶体１０４が自己発熱を開始する。そして、半導体結晶体１０４の温度が更に上昇し、半導体結晶体１０４の抵抗値が更に降下すると、パルス電流は、次第に、主に電流経路Ｙを流れるようになる。そして、パルス電流が主に電流経路を流れることにより、半導体結晶体１０４の自己発熱、温度上昇、抵抗値降下が加速する。その結果、半導体結晶体１０４は、短い時間で、塑性変形による加工が可能な温度（目標温度）に達する。
【００２０】
半導体結晶体１０４が目標温度に達したら、引き続きパルス電流を印加し続け、目標温度を維持したまま、上パンチ１０１と下パンチ１０２によって所望の圧力で半導体結晶体１０４に対して加圧し、半導体結晶体１０４を塑性変形させ、半導体結晶体１０４を所望の形状に加工する。
【００２１】
特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、半導体結晶体の自己発熱により半導体結晶体の温度を上昇させるものであるため、従来よりも低い温度での半導体結晶体の加工が可能になっている。特許文献２には、Ｓｉ半導体結晶体を、８１０℃以上、１０２０℃以下の目標温度において、所望の形状に加工できると記載されている。また、Ｇｅ半導体結晶体を、４００℃以上、５９０℃以下の目標温度において、所望の形状に加工できると記載されている。
【００２２】
特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、特許文献１の半導体結晶体の加工方法よりも加工温度が低いため、加圧治具（上パンチ１０１・下パンチ１０２）の材質の選択自由度が高く、加工治具の材質に、グラファイトに代えて、超硬などの、当接面を複雑な形状にしたり、高精度に仕上げたりすることができる材質を選択することができる（ただし特許文献２では加圧治具の材質としてグラファイトが例示されている）。そのため、半導体結晶体を、複雑な形状に加工したり、高精度に加工したりすることが可能になっている。すなわち、特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、特許文献１の半導体結晶体の加工方法が有していた、半導体結晶体を単純な形状にしか加工できないという問題を解決している。
【００２３】
特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、一般に普及しているガラスレンズの加工温度と同じ程度の低い温度で、かつ、ガラスレンズと同じ程度の高い加工精度で、半導体結晶体を加工できるものであり、半導体結晶体の加工方法として極めて有望な方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特許第４３３１５７２号公報
【特許文献２】特許第５３８２３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
特許文献２の半導体結晶体の加工方法には、加工装置３００の原理や構造に起因して、加圧治具（成形型）が破損しやすいという問題や、高い加工品質（形状品質・面品質）を得ることができないという問題や、加工ごとに加工品質（形状品質・面品質）にばらつきが発生して加工再現性が低いという問題や、加工に要するエネルギーが大きいという問題があった。
【００２６】
特許文献２の半導体結晶体の加工方法には、電流経路Ｘに高い電流値のパルス電流が印加された場合、たとえば１０００Ａを超えるパルス電流が印加されたような場合に、上パンチ１０１と導電性ダイ１０３の間の数μｍのギャップＧや、導電性ダイ１０３と下パンチ１０２の間の数μｍのギャップＧに、スパークが発生してしまう場合があった。そして、発生したスパークによって、上パンチ１０１や、下パンチ１０２や、導電性ダイ１０３が破損してしまう場合があった。
【００２７】
また、特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、加工装置３００に２つの電流経路Ｘ、Ｙが存在し、かつ、電流経路Ｘにおいては、上述したように上パンチ１０１と導電性ダイ１０３の間および導電性ダイ１０３と下パンチ１０２の間にそれぞれギャップＧがあるため、上パンチ１０１と下パンチ１０２の間の抵抗値が極めて不安定で変動しやすいという問題があった。そのため、半導体結晶体１０４に印加される電流の挙動も極めて不安定であり、高い加工品質（形状品質・面品質）を得ることができないという問題があった。すなわち、電流挙動が安定していることは、高い加工品質を得るための必須要件であり、電流挙動が不安定では、精度の高い形状や、滑らかな加工面を得ることができない。しかしながら、特許文献２の半導体の加工方法は、半導体結晶体１０４に印加される電流の電流値が急激な変動を繰り返す場合があり、加工後の半導体結晶体の形状に歪が発生したり、加工面が粗くなったりするという問題があった。
【００２８】
また、特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、電流挙動が不安定であるため、加工ごとに（加工する個体ごとに）、半導体結晶体の加工品質（形状品質・面品質）にばらつきが発生するという問題があった。すなわち、加工再現性が低いという問題があった。
【００２９】
更に、特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、半導体結晶体１０４の温度を上昇させるために、パルス電流を導電性ダイ１０３に流して、導電性ダイ１０３の温度を上昇させる必要がある。しかしながら、導電性ダイ１０３は、通常、半導体結晶体１０４に比べて体積が４０倍〜８０倍程度大きく、熱容量も大きい。したがって、上パンチ１０１と下パンチ１０２の間に印加されたパルス電流の多くが、導電性ダイ１０３における発熱に消費されてしまうため、特許文献２の半導体結晶体の加工方法は、エネルギー効率が悪く、加工に大きなエネルギーを要するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、その手段として、本発明の半導体結晶体の加工方法は、挟持された被加工物を両側から所望の圧力で加圧する１対の加圧治具と、被加工物を加圧治具の外側から予熱する予熱装置と、加圧治具に電流を印加する電流発生装置と、を備え、電流が、一方の加圧治具、被加工物、他方の加圧治具を経由する１つの電流経路で流れる加工装置、および、被加工物として半導体結晶体を準備する工程と、加圧治具によって、半導体結晶体を挟持する工程と、予熱装置によって半導体結晶体を加熱し、半導体結晶体の温度を、圧力を加えても破損しない温度以上に昇温させたうえで、加圧治具によって半導体結晶体に圧力を加え、半導体結晶体を予備加圧する工程と、予熱装置によって半導体結晶体を加熱し、半導体結晶体の温度を予め定めた温度以上にし、半導体結晶体の抵抗値を予め定めた抵抗値以下にする工程と、電流経路に電流を印加し、半導体結晶体を自己発熱させて、半導体結晶体の温度を、半導体結晶体が加圧により塑性変形する温度以上かつ半導体結晶体の融点温度未満の予め定めた目標温度に昇温させる工程と、電流経路に電流を印加し続け、半導体結晶体の温度を目標温度に維持したまま、加圧治具によって半導体結晶体に予備加圧よりも大きな圧力を加え、半導体結晶体を予め定めた形状に塑性変形させる工程と、を備えるようにした。
【００３１】
半導体結晶体を目標温度に昇温させる工程が、予め定めた温度傾斜で半導体結晶体の温度が上昇するように、半導体結晶体の温度を測定しながら、測定された半導体結晶体の温度に基づいて電流経路に印加する電流の電流値および電圧値の少なくとも一方を調整しておこなわれることが好ましい。すなわち、半導体結晶体の温度を監視しながら、半導体結晶体の昇温をおこなうことが好ましい。別の方法として、半導体結晶体の温度を監視せず、たとえば、予め定めた傾斜で電流値を上昇させてゆく方法もあるが、この方法では、半導体結晶体にクラックなどの欠陥がある場合に、熱暴走などの重篤な問題が発生する虞がある。これに対し、上記のように、半導体結晶体の温度を監視しながら、半導体結晶体の昇温をおこなえば、この問題を回避することができる。
【００３２】
また、本発明の半導体結晶体の加工装置は、上述した従来の問題を解決するために、挟持された被加工物である半導体結晶体を両側から所望の圧力で加圧する１対の加圧治具と、半導体結晶体を加圧治具の外側から予熱する予熱装置と、加圧治具に電流を印加する電流発生装置と、半導体結晶体の温度を測定する温度測定器と、半導体結晶体の抵抗値を測定する抵抗値測定器と、１対の加圧治具の位置合わせガイドとして、１対の加圧治具を囲むように配置された、筒状の、導電性材料からなる導電性ダイの表面に絶縁層が形成された絶縁処理ダイと、を備え、絶縁処理ダイが予熱装置を兼ね、当該絶縁処理ダイの絶縁層の内側の導電性ダイに電流を印加することによる導電性ダイの発熱により、半導体結晶体を予熱し、電流が、一方の加圧治具、半導体結晶体、他方の加圧治具を経由する１つの電流経路で流れるようにした。
【００３３】
抵抗値測定器は、電流発生装置の出力電流値および出力電圧値を測定し、それらの測定値から半導体結晶体の抵抗値を演算するものであることが好ましい。この場合には、容易に半導体結晶体の抵抗値を算出することができる。
【００３４】
更に、１対の加圧治具の位置合わせガイドとして、１対の加圧治具を囲むように配置された、筒状の、絶縁性材料からなる絶縁性ダイ、または、導電性材料からなる導電性ダイの表面に絶縁層が形成された絶縁処理ダイを備えたものであることが好ましい。この場合には、１対の加圧治具が正確に噛み合い、半導体結晶体の加工精度を更に高めることができる。
【００３５】
絶縁処理ダイが予熱装置を兼ね、その絶縁処理ダイの絶縁層の内側の導電性ダイに電流を印加することによる導電性ダイの発熱により、半導体結晶体を予熱するものとすることが好ましい。この場合には、加工装置に予熱装置を設けるスペースを別途必要とすることなく、半導体結晶体を高い効率で予熱することができる。
【００３６】
更に、温度測定器で測定された被加工物である半導体結晶体の温度が、予め定められた電流印加開始温度まで上昇した場合に、電流発生装置が加圧治具に電流の印加を開始する、電流印加開始タイミング制御手段を備えたものとすることが好ましい。この場合には、いつも同じ条件で電流の印加を開始することができ、加工ごとに電流印加を開始するタイミングがばらつくことがなく、高い再現性をもって半導体結晶体を加工することができる。
【００３７】
更に、抵抗値測定器で測定された被加工物である半導体結晶体の抵抗値が、予め定められた電流値上昇開始抵抗値まで降下した場合に、電流発生装置が加圧治具に印加している電流の電流値を上昇させる、電流値上昇開始タイミング制御手段を備えたものとすることが好ましい。この場合には、いつも同じ条件で電流値の上昇を開始することができ、加工ごと電流値を上昇させるタイミングがばらつくことがなく、高い再現性をもって半導体結晶体を加工することができる。
【００３８】
また、電流発生装置が、多相半波整流回路または多相全波整流回路を備え、加圧治具に印加する電流のデューティ比を２０％〜１００％の範囲で可変できるものであることが好ましい。この場合には、可能な範囲でデューティ比を低く設定することにより、半導体結晶体の加工に要するエネルギー（電力）を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の半導体結晶体の加工方法は、印加される電流の電流経路が１つであり、分流がなく、しかも電流経路の途中にギャップがないため、電流挙動が安定しており、半導体結晶体の加工品質（形状品質・面品質）が高い。また、加工ごとに加工品質がばらつくことがなく、高い再現性で半導体結晶体を加工することができる。
【００４０】
また、本発明の半導体結晶体の加工方法は、電流経路の途中にギャップがないため、ギャップに発生するスパークによって加圧治具（上パンチ・下パンチ）が破損してしまうことがない。
【００４１】
また、本発明の半導体結晶体の加工方法は、従来のように、半導体結晶体の温度を上昇させるために体積の大きな導電性ダイに電流を印加して自己発熱させる必要がないため、エネルギー効率が良く、少ないエネルギー（電力）で半導体結晶体を加工することができる。
【００４２】
更に、本発明の半導体結晶体の加工方法は、半導体結晶体に必要以上に電流を印加することなく、短い時間で半導体結晶体の温度を加工可能な温度（目標温度）に上昇させることができるため、加工後の半導体結晶体に熱による品質劣化が発生しにくい。
【００４３】
また、本発明の半導体結晶体の加工装置を使用すれば、容易に本発明の半導体結晶体の加工方法を実施することができる。すなわち、本発明の半導体結晶体の加工装置を使用すれば、高い加工品質、高い再現性で半導体結晶体を加工することができる。また、少ないエネルギー（電力）で半導体結晶体を加工することができる。また、加工後の半導体結晶体に熱による品質劣化が発生しにくい。更に、スパークによる破損（故障）が発生しにくい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態において使用した半導体結晶体の加工装置１００を示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、第１実施形態における半導体結晶体の加工方法の特性を示すグラフである。より具体的には、図２（Ａ）は、半導体結晶体の温度の推移と、半導体結晶体を加圧する圧力の推移とを示すグラフである。図２（Ｂ）は、抵抗値の推移を示すグラフである。図２（Ｃ）は、パルス電流の電流値の推移を示すグラフである。
【図３】第１実施形態の加工方法において加工に要する電流値と、特許文献２の加工方法において加工に要する電流値とを、比較して示したグラフである。
【図４】第１実施形態の加工方法における圧力と変位量の関係と、特許文献２の加工方法における圧力と変位量の関係とを、比較して示したグラフである。
【図５】第２実施形態において使用した半導体結晶体の加工装置２００を示す断面図である。
【図６】予熱方式の効率を、第１実施形態の加工装置１００と特許文献２の加工装置２００とで比較して示したグラフである。
【図７】第３実施形態においてパルス電流発生装置６で発生させた、デューティ比の異なる３通りのパルス電流の電流波形を示すグラフである。
【図８】特許文献２に記載された半導体結晶体の加工装置３００を示す断面図である。
【図９】加工装置３００の２つの電流経路Ｘ，Ｙを示す説明図である。より具体的には、加工装置３００を縦方向に２分割し、その断面を示した分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。
【００４６】
なお、各実施形態は、本発明の実施の形態を例示的に示したものであり、本発明が実施形態の内容に限定されることはない。また、異なる実施形態に記載された内容を組合せて実施することも可能であり、その場合の実施内容も本発明に含まれる。また、図面は、実施形態の理解を助けるためのものであり、必ずしも厳密に描画されていない場合がある。たとえば、描画された構成要素ないし構成要素間の寸法の比率が、明細書に記載されたそれらの寸法の比率と一致していない場合がある。また、明細書に記載されている構成要素が、図面において省略されている場合や、個数を省略して描画されている場合などがある。
【００４７】
［第１実施形態］
図１に、第１実施形態において使用する半導体結晶体の加工装置１００を示す。ただし、図１は加工装置１００の断面図である。
【００４８】
加工装置１００は、上パンチ１、下パンチ２からなる、１対の加圧治具を備える。上パンチ１、下パンチ２は、たとえば、導電性材料である超硬により作製されている。ただし、超硬に代えて、ダイス鋼を使用しても良い。超硬やダイス鋼は、グラファイトに比べて格段に硬く、かつ緻密にできており、加工に時間はかかるが、上パンチ１や下パンチ２の当接面を複雑な形状にしたり、高精度に仕上げたりすることができる。ただし、上パンチ１、下パンチ２の材質は任意であり、超硬、ダイス鋼には限定されず、他の材質を使用しても良い。
【００４９】
なお、金型（上パンチ１、下パンチ２）は、レンズ設計形状と同一寸法にサブミクロンオーダーで高精度に加工されており、表面も数１０ｎｍの面粗さで研磨加工されている。
【００５０】
上パンチ１、下パンチ２は、それぞれ加圧機構（図示せず）に繋がれており、上パンチ１と下パンチ２の間に挟持された被加工物を、所望の圧力で加圧することができる。上パンチ１と下パンチ２の少なくとも一方は、所望する半導体結晶体の加工形状に対応した当接面を有している。
【００５１】
加工装置１００は、上パンチ１、被加工物（半導体結晶体）、下パンチ２を繋ぐ１つの電流経路を備える。
【００５２】
加工装置１００は、上パンチ１および下パンチ２の周囲に、ヒータ３からなる予熱手段を備える。ヒータ３は、被加工物である半導体結晶体を予熱し、半導体結晶体の温度を上昇させ、半導体結晶体の抵抗値を降下させるためのものである。加工装置１００は、ヒータ３に電力を供給するための予熱用電源４を備えている。
【００５３】
上パンチ１、下パンチ２、ヒータ３は、真空容器５に収容されている。本実施形態においては、半導体結晶体の加工を真空雰囲気中において実施する。半導体結晶体の加工を真空雰囲気中で実施するのは、炉材として使用する金属材料や、成形型（上パンチ１、下パンチ２）の材料として使用する超硬、ダイス鋼などの酸化を防止するため、および、成形型（上パンチ１、下パンチ２）と被加工物（成形材料；半導体結晶体）の間のエアかみ込み防止のためである。ただし、加工を実施する雰囲気は真空雰囲気中には限定されず、大気雰囲気中、窒素ガス雰囲気中で実施しても良い。
【００５４】
加工装置１００は、パルス電流発生装置６を備える。パルス電流発生装置６は、上パンチ１、被加工物（半導体結晶体）、下パンチ２を繋ぐ電流経路にパルス電流を印加するためのものである。パルス電流発生装置６は、多相半波整流回路または多相全波整流回路を備え、２０％〜１００％の範囲で調整された（可変された）デューティ比の電流を発生させる。
【００５５】
パルス電流発生装置６は、加工装置１００（装置本体）の予め制御プログラムなどが記憶されている記憶部・制御部から、被加工物（半導体結晶体）の温度情報や抵抗値情報などのフィードバックを受けながら、パルス電流の電流値を調整して、パルス電流発生装置６からパルス電流を出力させる。
【００５６】
なお、本実施形態においては、上パンチ１、被加工物（半導体結晶体）、下パンチ２を繋ぐ電流経路にパルス電流を印加するものとし、パルス電流発生装置６を備えているが、電流経路に印加される電流はパルス電流には限定されず、直流電流であっても良い。この場合には、パルス電流発生装置６に代えて、異なる電流発生装置が用意される。
【００５７】
加工装置１００は、被加工物（半導体結晶体）の抵抗値を測定するための抵抗値測定器７を備える。抵抗値測定器７は、パルス電流発生装置６の出力電流値および出力電圧値を測定し、測定された出力電流値および出力電圧値から、電流経路に含まれる被加工物（半導体結晶体）の抵抗値を演算し、算出する。抵抗値測定器７は、パルス電流発生装置６に組み込まれていても良い。
【００５８】
また、加工装置１００は、被加工物（半導体結晶体）の温度を測定するための温度測定器として、熱電対８を備えている。熱電対８は、被加工物（半導体結晶体）の近傍に配置されている。なお、温度測定器の種類は熱電対８には限定されず、他の種類の温度測定器であっても良い。また、被加工物と熱電対８との間には一定の距離があるので、熱電対８で測定された温度を予め定めた補正式で補正し、被加工物の温度とすることが好ましい。
【００５９】
次に、同じく図１を参照しながら、加工装置１００を使用した、第１実施形態にかかる半導体結晶体の加工方法について説明する。
【００６０】
まず、被加工物として、Ｇｅ半導体結晶体（以下の説明において単に「半導体結晶体」と記載する場合がある）９を準備した。具体的には、直径φ１５ｍｍ、厚み３ｍｍの円板状のＧｅ半導体結晶体を準備した。
【００６１】
次に、上パンチ１と下パンチ２の間に、半導体結晶体９を挟持させた。この時点での、上パンチ１と下パンチ２が半導体結晶体９を加圧する圧力は、半導体結晶体９を加圧する圧力は、半導体結晶体が劈開しない範囲で、最大でも０．４ＫＮ程度の小さな圧力にした。
【００６２】
図２（Ａ）に、半導体結晶体９の温度（℃）の推移と、上パンチ１と下パンチ２が半導体結晶体９を加圧する圧力（ＫＮ）の推移とを示す。また、図２（Ｂ）に、半導体結晶体９の抵抗値（ｍΩ）の推移を示す。更に、図２（Ｃ）に、パルス電流発生装置６が上パンチ１と下パンチ２の間に印加するパルス電流の電流値（Ａ）の推移を示す。
【００６３】
上パンチ１と下パンチ２の間への半導体結晶体９の挟持が完了した後、加工装置１００の真空容器５から空気を吸引し、排出した。
【００６４】
次に、外部予熱を開始し、ヒータ３に電流を印加し、ヒータ３を発熱させて半導体結晶体９の温度を上昇させた。図２（Ａ）に示すように、半導体結晶体９の温度は、時間経過とともに上昇し、外部予熱の開始から１５分を経過した時点では、３５０℃を超えた。なお、外部予熱の段階においては、半導体結晶体９の抵抗値は測定していない。パルス電流発生装置６が未だ動いておらず、抵抗値測定器７による抵抗値の測定ができないからである。
【００６５】
次に、半導体結晶体９の温度が３５５℃を超えた、外部予熱の開始から１６分が経過した時点で、予備加圧を開始した。予備加圧は、次におこなう本体予熱において、上パンチ１、半導体結晶体９、下パンチ２を繋ぐ電流経路に、パルス電流がスムースに流れるためにおこなうものである。すなわち、上パンチ１と半導体結晶体９との接触抵抗、および、半導体結晶体９と下パンチ２との接触抵抗を小さくするためにおこなうものである。
【００６６】
本実施形態においては、予備加圧の圧力を、０．４ＫＮ程度とした。予備加圧の圧力が小さすぎると上記接触抵抗が小さくならず、予備加圧の圧力が大きすぎると半導体結晶体９が破損してしまう場合があるので、予備加圧の圧力は適正に選択する必要がある。
【００６７】
また、半導体結晶体９の温度が十分に高くならないうちに予備加圧を開始すると、同じく半導体結晶体９が破損してしまう場合がある。そこで、熱電対８で半導体結晶体９の温度を監視し、予め定めた温度まで上昇してから予備加圧を開始することが必要である。
【００６８】
次に、半導体結晶体９の温度が３６０℃を超えた、外部予熱の開始から１８分が経過した時点で、本体予熱を開始した。すなわち、パルス電流発生装置６を始動させ、上パンチ１、半導体結晶体９、下パンチ２を繋ぐ電流経路にパルス電流を印加した。なお、パルス電流のデューティ比（オン時間／全時間）は、６０％とした。この結果、半導体結晶体９が自己発熱を開始し、半導体結晶体９の抵抗値が徐々に降下した。
【００６９】
なお、半導体結晶体９の温度が十分に高くならず、半導体結晶体９の抵抗値が十分に低くなっていないうちに本体予熱を開始しても、すなわち、パルス電流発生装置６と半導体結晶体９との入出力インピーダンスが整合する前に本体予熱を開始しても、半導体結晶体９にパルス電流が流れないので、電流印加開始タイミング制御手段を講じ、半導体結晶体の温度を監視して、予め定めた温度（電流印加開始温度）まで上昇してから本体予熱を開始することが好ましい。
【００７０】
次に、半導体結晶体９の抵抗値が１００ｍΩを下回った、外部予熱の開始から２２分が経過した時点で、昇温を開始した。すなわち、パルス電流発生装置６により、上パンチ１、半導体結晶体９、下パンチ２を繋ぐ電流経路に印加されるパルス電流の電流値を上昇させた。そして、半導体結晶体９の自己発熱を加速させ、半導体結晶体９の温度を更に上昇させた。このとき、半導体結晶体９の温度の上昇にともなって、半導体結晶体９の抵抗値も更に降下している。
【００７１】
なお、半導体結晶体９の抵抗値が十分に低くなっていないうちに昇温を開始し、半導体結晶体９に印加するパルス電流の電流値を大きくしても、スムースに半導体結晶体の自己発熱は加速されないので、昇温開始タイミング制御手段を講じ、半導体結晶体の抵抗値を監視して、予め定めた抵抗値（昇温開始抵抗値）まで降下してから昇温を開始することが好ましい。
【００７２】
本実施形態においては、半導体結晶体９の昇温を、いわゆる温度制御方式によって制御した。すなわち、まず、昇温の温度傾斜、すなわち、単位時間当たりに上昇させる温度（Δｔ／ΔＴ）を定めた。そして、半導体結晶体９の温度を監視し、半導体結晶体９の温度が予め定めた温度傾斜に沿って上昇するように、半導体結晶体９の温度をパルス電流発生装置６の制御部にフィードバックし、そのフィードバックに基づいてパルス電流の電流値を調整し、その調整されたパルス電流をパルス電流発生装置６から電流経路に印加した。
【００７３】
なお、温度制御方式以外に、単位時間当たりに上昇させる電流値を予め定める、いわゆる電流制御方式があるが、半導体結晶体９にクラックなどの欠陥がある場合に熱暴走が発生する虞があるため採用しなかった。温度制御方式によれば、たとえ半導体結晶体９にクラックなどの欠陥があったとしても、熱暴走は発生しない。
【００７４】
次に、半導体結晶体９の温度が目標温度である６００℃に達した、外部予熱の開始から２４分が経過した時点で、本加圧を開始した。目標温度とは、Ｇｅ半導体結晶体９が加圧により塑性変形する温度以上、かつ、Ｇｅ半導体結晶体９の融点温度（９３８．２℃）未満の予め定めた温度である。本実施形態においては、Ｇｅ半導体結晶の融点温度（９３８．２℃）よりも大幅に低い温度（６００℃）を、目標温度として設定した。
【００７５】
本加圧は、電流経路にパルス電流を印加し続け、半導体結晶体９の温度を目標温度に維持したまま、上パンチ１と下パンチ２が半導体結晶体９を加圧する圧力を、段階的に大きくすることによって実施した。本実施形態においては、圧力を、０．５ＫＮ〜４．８ＫＮまで段階的に大きくした。なお、段階的に圧力を大きくするのに代えて、連続的に圧力を大きくするようにしても良い。
【００７６】
そして、外部予熱の開始から２８分が経過し、上パンチ１と下パンチ２が半導体結晶体９を加圧する圧力を４．８ＫＮまで大きくした時点で、本加圧を終了した。続いて、半導体結晶体９を自然冷却させた後、半導体結晶体９を上パンチ１と下パンチ２の間から取出して、第１実施形態にかかる半導体結晶体の加工方法を終了した。
【００７７】
半導体結晶体９は、加工前、直径φ１５ｍｍ、厚み３ｍｍの円板状であったが、加工後には、レンズ芯厚２．９８４ｍｍ、形状品質が（設計形状に対して）面内P-V値３５６ｎｍ、面品質（面粗さ）がＲａ値３０ｎｍのメニスカス状（三日月状）になった。
【００７８】
なお、形状品質とは、金型形状を成形材料（Ｇａ半導体結晶体）に転写してできるレンズ表面形状のことで、設計形状に対してP-V値（凸凹）を数１００ｎｍ程度に抑える必要がある。また、面品質とは、転写してできるレンズ表面の面粗さのことで、Ra値（凸凹）を数１０ｎｍ程度に抑える必要がある。
【００７９】
加工後の半導体結晶体９を観察したところ、目標どおりの高い加工品質で加工されていた。すなわち、目標どおりの形状品質と、目標どおりの面品質を備えていた。
【００８０】
本実施形態において、高い加工品質を得ることができた理由の１つとして、昇温時の電流傾斜が極めて安定していることがあげられる。図２（Ｃ）に示すように、昇温時には、半導体結晶体９に印加されるパルス電流の電流値が、ほぼ直線状に上昇している。すなわち、単位時間当たりに上昇した電流値を表す電流傾斜（ΔＩ／ΔＴ）が、一定の傾きで、ほぼ直線状になっている。
【００８１】
上述したとおり、高い加工品質（形状品質・面品質）を得るためには、半導体結晶体９に印加される電流の電流挙動（特に電流傾斜（ΔＩ／ΔＴ））が安定していることが必須要件である。本実施形態においては、半導体結晶体９に印加されるパルス電流の電流挙動が安定していたため、加工後の半導体結晶体９が、目標どおりの形状品質と目標どおりの面品質とを備えていたものと考えられる。なお、本実施形態において、半導体結晶体９に印加されるパルス電流の電流挙動が安定しているのは、（１）半導体結晶体９に印加されるパルス電流の電流経路が、上パンチ１、半導体結晶体９、下パンチ２を繋ぐ１つの経路のみであること、（２）その電流経路に従来あったギャップ（上パンチと導電性ダイの間のギャップ・導電性ダイと下パンチの間のギャップ）が存在しないこと、に起因していると考えられる。すなわち、電流経路から抵抗値のばらつきを排除できたことにあると考えられる。
【００８２】
本発明によれば、半導体結晶体９に印加される電流の電流挙動（特に電流傾斜（ΔＩ／ΔＴ））が安定化されるため、加工品質（形状品質・面品質）に影響を与える残りの要因は、半導体結晶体９の比抵抗のばらつきと、半導体結晶体９の寸法ばらつきのみになると考えられる。しかしながら、半導体結晶体９の比抵抗のばらつきと、半導体結晶体９の寸法ばらつきは、管理により（基準を満たす半導体結晶体９のみを使用することにより）排除することができるため、本発明によれば、半導体結晶体９を、常に同一の高い加工品質で加工することができる。すなわち、本発明の半導体結晶体の加工方法および加工装置は、極めて高い加工再現性を備えている。
【００８３】
また、本発明によれば、加工に要するエネルギーが小さくなる。図３に、第１実施形態にかかる半導体結晶体の加工方法と、特許文献２に記載された半導体結晶体の加工方法とにおける、それぞれの、加工に要する電流値を示す。図３からわかるように、第１実施形態の方法の方が、特許文献２の方法よりも、格段に低い電流値で加工することができる。具体的には、特許文献２の方法では、目的温度に保持している間の平均電流値が６１２Ａであるのに対し、第１実施形態の方法では、目的温度に保持している間の平均電流値が７１Ａであり、大幅な省エネルギー（省電力）が達成されている。これは、特許文献２の方法では、大きな体積の導電性ダイにパルス電流を流す必要があるのに対し、第１実施形態の方法では、導電性ダイは備えておらず、パルス電流を流す必要がないからである。
【００８４】
図４に、図３に示す電流で処理した第１実施形態にかかる半導体結晶体の加工方法と、特許文献２に記載された半導体結晶体の加工方法とにおける、それぞれの、圧力と変形量との関係を示す。図４からわかるように、圧力に対する変形量に差は無く、所定の性能が発揮できていることがわかる。
【００８５】
更に、本発明によれば、半導体結晶体が急速に昇温し、加工時間が短くて済むため、半導体結晶体にパルス電流が印加されている時間も短くなり、パルス電流が印加による半導体結晶体の品質劣化が抑制される。
【００８６】
［第２実施形態］
図５に、第２実施形態において使用する半導体結晶体の加工装置２００を示す。ただし、図５は加工装置２００の断面図である。
【００８７】
第１実施形態に使用した加工装置１００は、上パンチ１および下パンチ２の周囲に、ヒータ３からなる予熱手段を備えていた。これに対して、第２実施形態において使用する加工装置２００は、予熱装置を兼ねる筒状の絶縁処理ダイ１３を備え、絶縁処理ダイ１３の内側に上パンチ１および下パンチ２をそれぞれ摺接させた。
【００８８】
絶縁処理ダイ１３は、導電性ダイ１３ａの表面に絶縁層１３ｂを形成したものからなる。具体的には、たとえば、グラファイトからなる導電性ダイ１３ａの表面に、絶縁性シリコンカーバイト（ＳｉＣ）からなる絶縁層１３ｂを５ｍｍの厚みに形成したものからなる。
【００８９】
加工装置２００を使用すれば、加圧治具である上パンチ１と下パンチ２が、絶縁処理ダイ１３にガイドされて正確に噛み合うため、半導体結晶体を更に高い加工精度で加工することができる。
【００９０】
なお、上述のとおり、加工装置２００においては、絶縁処理ダイ１３が予熱装置を兼ねており、予熱用電源４によって絶縁層１３ｂの内側の導電性ダイ１３ａに電流を印加することにより、導電性ダイ１３ａが発熱し、半導体結晶体９を予熱する。加工装置２００は、絶縁処理ダイ１３によって、半導体結晶体９を高い効率で予熱することができる。また、加工装置２００は、予熱装置を設けるスペースを別途設ける必要がない。
【００９１】
第２実施形態にかかる半導体結晶体の加工方法は、加工装置２００を使用して、Ｇｅ半導体結晶体９を加工した。第２実施形態の、予熱装置以外の他の条件は、第１実施形態と同じにした。第２実施形態においても、半導体結晶体９を、目標どおりの高い加工品質で加工することができた。すなわち、加工後の半導体結晶体９は、目標どおりの形状品質と、目標どおりの面品質を備えていた。
【００９２】
図６に、第１実施形態の加工装置１００のヒータ３によって予熱された半導体結晶体９の温度の推移と、第２実施形態の加工装置２００の絶縁処理ダイ１３によって予熱された半導体結晶体９の温度の推移を、比較して示す。図６から分かるように、第２実施形態の方が、第１実施形態に比べて、半導体結晶体９の昇温速度が速い。したがって、第１実施形態のようにヒータ３を使用して半導体結晶体９を予熱するよりも、第２実施形態のように絶縁処理ダイ１３を使用して半導体結晶体９を予熱した方が、加工時間の短縮をはかることができる。
【００９３】
［第３実施形態］
第３実施形態では、第１実施形態で使用した加工装置１００を使用して、Ｇｅ半導体結晶体９を、３通りの方法で加工した。各方法（加工Ａ・加工Ｂ・加工Ｃ）は、上パンチ１と下パンチ２の間へ印加するパルス電流のデューティ比が異なる。
【００９４】
加工Ａは、デューティ比を１００％とした。加工Ｂは、デューティ比を４０％とした。加工Ｂは、デューティ比を２０％とした。図７に、加工Ａ〜加工Ｃの、それぞれの電流波形を示す。加工Ａ〜加工Ｃの、パルス電流のデューティ比以外の他の条件は、第１実施形態と同じにした。
【００９５】
加工Ａ〜加工Ｃの全てにおいて、第１実施形態にかかる半導体結晶体の加工方法を再現することができた。
【００９６】
加工Ａ（デューティ比：１００％）の電流値は７１Ａ、加工Ｂ（デューティ比：４０％）の電流値は９５Ａ、加工Ｃ（デューティ比：２０％）の電流値は１３０Ａであり、投入電力（Ｉ２×Ｒ×Ｔ）を概算すると、加工Ｂは加工Ａに対して４７％、加工Ｃは加工Ａに対して６３％の省電力が達成されていることになる。このように、本発明においては、可能な範囲で印加するパルス電流のデューティ比を低く設定することにより、半導体結晶体の加工に要するエネルギー（電力）を少なくすることが可能である。
【００９７】
以上、第１実施形態〜第３実施形態にかかる半導体結晶体の加工方法、および、それらの加工方法に使用する加工装置１００、２００について説明した。しかしながら、本発明が上述した内容に限定されることはなく、発明の趣旨に沿って、種々の変更をなすことができる。
【００９８】
たとえば、第１実施形態〜第３実施形態では、Ｇｅ半導体結晶体を被加工物として加工したが、被加工物はＧｅ半導体結晶体には限定されず、たとえばＳｉ半導体結晶体などであっても、同様に、高い加工品質、高い加工再現性で加工することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１・・・上パンチ
２・・・下パンチ
３・・・ヒータ
４・・・予熱用電源
５・・・真空容器
６・・・パルス電流発生装置
７・・・抵抗値測定器
８・・・熱電対（温度測定器）
９・・・半導体結晶体
１３・・・絶縁処理ダイ
１３ａ・・・導電性ダイ
１３ｂ・・・絶縁層
【図１】
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【図２】
0006429093.tif 000003
【図３】
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【図４】
0006429093.tif 000005
【図５】
0006429093.tif 000006
【図６】
0006429093.tif 000007
【図７】
0006429093.tif 000008
【図８】
0006429093.tif 000009
【図９】
0006429093.tif 000010