(57)【要約】【課題】単結晶のインゴットを高精度に且つウェーハ作製に要する時間を特段に短縮する方法、装置の提供。【解決手段】円筒状の単結晶のサンプルを劈開を利用して薄板に切断するにあたり、サンプル１０の側面を、前記サンプルの劈開面に対して、垂直方向に平面１２を切り出し、平面１２を鏡面加工し、平面１２に対して、切断方向に平行な方向に沿って加工用のビーム２１を照射して打ち込み、前記ビームの照射位置に沿ってサンプルに劈開を生じさせ、劈開面を切断面とする薄板に切断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）被加工対象物である単結晶のサンプル側面を、前記サンプルの劈開面に対して所定角をなす方向に切り出して平面を作成するステップと、
（ｂ）前記切り出した平面を表面処理するステップと、
（ｃ）前記平面に対して、前記サンプルの劈開面に平行な方向に沿って加工用のビームを照射し、前記ビームの照射位置に沿って前記サンプルに劈開を生じさせ、劈開面を切断面とする薄板に切断するステップと、
を含む、ことを特徴とする加工方法。
【請求項２】
被加工対象物である単結晶のインゴットを劈開を利用してウェーハに切断するにあたり、
（ａ）前記インゴットの胴部側面を、前記インゴットの劈開面に対して垂直方向に切り出して平面を作成するステップと、
（ｂ）前記平面を表面処理するステップと、
（ｃ）前記平面に対して、切断予定線の少なくとも一部に加工用のビームを照射して打ち込み、前記ビームの照射位置に沿って前記インゴットに劈開を生じさせ、劈開面を切断面とするウェーハに切断するステップと、
を含む、ことを特徴とする加工方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｂ）において、前記平面を鏡面加工する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の加工方法。
【請求項４】
前記ステップ（ｃ）において、前記単結晶のインゴットの前記平面上での前記加工用のビームの照射位置が、前記インゴットの切断対象の線上を所定の範囲で往復するように、前記加工用のビームを掃引する、ことを特徴とする請求項２記載の加工方法。
【請求項５】
被加工対象物である単結晶のサンプルに加工用のビームを照射し、
前記サンプルに衝撃を与えることで、前記サンプルに劈開を生じさせ、
少なくとも前記サンプルの劈開面を切断面として前記サンプルを分割する、ことを特徴とする加工方法。
【請求項６】
前記ビームが電子ビームよりなる、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項７】
前記ビームが、所定の速度で前記平面上を往復する、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項８】
前記ビームの焦点となる照射位置で線状となるように制御される、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項９】
前記ビームの立ち上がりが、急激に行われるように制御する、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項１０】
前記電子ビームに対して、正電圧が印加されるコレクタプレートを用意しておき、
前記コレクタプレートに電子ビームを照射している状態から、前記電子ビームの偏向先を、前記平面上の切断対象の位置に切替えるステップを有する、ことを特徴とする請求項９記載の加工方法。
【請求項１１】
前記加工用のビームを照射する前に、前記被加工対象物を冷却するステップを有する、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項１２】
ダイヤモンドで前記被加工対象物の切断位置に所定深さで予め傷をつける、ことを特徴とする請求項１又は２記載の加工方法。
【請求項１３】
前記加工用ビームとして、電子ビームとイオンビームとをあわせて照射する、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項１４】
前記加工用ビームとして、レーザビームを用いる、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項１５】
前記被加工対象物が、単結晶のシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、サファイアのうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項１６】
前記サンプルの表面に導電部材を設け、
前記導電部材は接地され、
前記サンプル表面の電荷を放電し、電子ビームを照射する、ことを特徴とする請求項５記載の加工方法。
【請求項１７】
前記サンプルの表面に導電性のマスクを置き、
前記マスクは接地され、
前記サンプル表面の電荷を放電し、
前記マスク窓から電子ビームを照射する、ことを特徴とする請求項５記載の加工方法。
【請求項１８】
電子放出装置からの電子ビームの引き出し用の電極を少なくとも２つ設け、
電子放出装置に近い方の引き出し用の電極の電圧を可変させることで、電子ビームを急激に引き出す、ことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか一に記載の加工方法。
【請求項１９】
単結晶のサンプルの表面に、加工用のビームを照射するビーム発生源を備え、
前記サンプルの切断箇所に対して、前記ビーム源からの前記加工用のビームが切断線の所定の範囲で掃引され、
前記ビーム源において、前記加工用ビームの立ち上がりを制御することで、前記サンプルの表面に衝撃を与えて劈開を生じさせ、前記劈開面に沿って前記サンプルの切断又は分割を行う、ことを特徴とする加工装置。
【請求項２０】
単結晶のサンプルの表面に、加工用のビームを照射するビーム発生源と、
前記加工用ビームの焦点が線状とする手段と、
を備え、前記加工用のビームを、前記サンプル表面の切断箇所に照射し、
前記サンプル表面で前記加工用ビームは線状に照射され、前記サンプルの表面に衝撃を与えて劈開を生じさせ、前記劈開面に沿って前記サンプルの切断又は分割を行う、ことを特徴とする加工装置。
【請求項２１】
前記サンプル表面で前記加工用ビームは前記サンプルの結晶軸方向に沿って、照射される、ことを特徴とする請求項１９又は２０記載の加工装置。
【請求項２２】
円柱レンズを備え、
前記加工用ビームの焦点が線状となるように前記円柱レンズを利用してなる、ことを特徴とする請求項２０記載の加工装置。
【請求項２３】
ウェーハの母材となる略円柱状のインゴットを輪切り状に切断する加工装置であって、
単結晶のサンプルの表面に、加工用のビームを照射する手段を備え、
予め前記インゴット側面に切り出された平面に対して、輪切りに切断する位置に対応して、所定の範囲で、加工用のビームを掃引させて照射し、前記ビームの照射箇所に対応する位置にて前記インゴットを劈開させ、劈開面を切断面とするウェーハに切断する、ことを特徴とする加工装置。
【請求項２４】
前記加工用ビームの立ち上がりが急激に行われる構成とされている、ことを特徴とする請求項１９、２０、２３のいずれか一に記載の加工装置。
【請求項２５】
前記インゴットの長手方向に沿って、前記電子ビームを集めるコレクタプレートを備え、前記電子ビームの偏向を前記コレクタプレートから前記平面に切り替えることで、前記電子ビームの立ち上がりが制御される、ことを特徴とする請求項２３記載の加工装置。
【請求項２６】
前記加工用ビームがパルス状に発振するものである、ことを特徴とする請求項１９、２０、２３のいずれか一に記載の加工装置。
【請求項２７】
前記加工用のビームが、電子ビーム、及び／又はイオンビームよりなる、ことを特徴とする請求項１９、２０、２３のいずれか一に記載の加工装置。
【請求項２８】
前記加工用のビームが、レーザよりなる、ことを特徴とする請求項１９、２０、２３のいずれか一に記載の加工装置。
【請求項２９】
前記加工用のビームを照射する手段が、
電子を放出する電子放出源と、
前記電子放出源から放出された電子ビームを加速させる第１の陽極と、
前記電子放出源と前記第１の陽極との間に配置され、電子ビームを加速させる第２の陽極と、
前記第１、第２の陽極に印加する第１、第２の加速電圧を与える第１、第２の加速電源と、
を有し、
前記第１の陽極には直流電圧が印加され、
前記第２の陽極に印加する第２の加速電圧を制御することで、電子ビームの立ち上がり時間を制御する、ことを特徴とする請求項１９、２０、２３のいずれか一に記載の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶のサンプルの加工方法と装置に関し、特に、スライシング、又は、ダイシング等に適用して好適な方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶Ｓｉは、よく知られているように、チョクラルスキー法（ＣＺ法）等で作製される。この製法によれば、断面の径が２００ｍｍφ以上、長さが１ｍ以上の棒状の単結晶Ｓｉのインゴット（単結晶Ｓｉのインゴットを「シリコンインゴット」という）が作製される。このＣＺ法では、よく知られているように、石英るつぼ内で溶融された多結晶シリコンを、単結晶成長に適した温度に調整し、単結晶の種結晶を融液に浸す。このとき転位が生じるが、無転位成長のためのネッキングを行って無転位化し、種結晶の引き上げ速度と融液温度を制御しながら除々に直径を大きくしてゆき、肩部が形成され、所望の直径まで形成されると、一定直径の直胴部を形成し、除々に直径を小さくしながら、逆円錐状の尾部を形成して、引き上げを完了する。
【０００３】
スライス工程では、硬脆性のシリコンインゴットを、スライシングマシンで切断し、薄板のウェーハを作製している。あるいは回転薄刃ブレード（例えばブレードは１０〜数十μｍの厚さ）として、内周刃ブレードによる内周刃切断、外周刃ブレードによる外周刃切断が行われる。そして、ウェーハを、粗面研磨（ラッピング）、鏡面研磨（ポリシング）する。なお、一例として、太陽電池等の製造では、ウェーハの表面に、マスクを設け、不純物の注入等により不純物拡散層を作製し、ＰＮ接合を作り、金属膜を堆積し、電極配線にパターン形成することで太陽電池としている。
【０００４】
なお、半導体ウェーハの母材である略円柱状のシリコンインゴットにおいて、円柱の高さ方向をｚ軸、ｚ軸に垂直な面を規定する２軸をｘ、ｙ軸とした場合、ｚ軸に垂直な面に単結晶の格子面（００１）面が一致するように単結晶を作製し、また円柱側面において（１００）面の切り出し（カット）が行われる。単結晶シリコンからなる半導体ウェーハの表面は（００１）面となる（通常（００１）面で使うことが多い）。この場合、シリコンインゴット１０はｚ軸に垂直な方向に多数輪切りにして、略円板状のウェーハが作製され、（１００）面を切り出し、切り出された面は、オリエンテーションフラットとも呼ばれる。
【０００５】
シリコンインゴットをウェーハに切断する場合には、図８に示すように、ワイヤーソー１１等で切断するため、切り代と厚さがある程度必要である。このため、ワイヤーソーの刃を薄くし（幅０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ）、切り代を短くしている。また高速で切断するため、薄板にはある程度の厚さ（０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ）が必要である。ワイヤーソー１１は往復運動ではなく一方向運動とされる。なお、図８では、簡単のため、ワイヤーソー１１を例に説明したが、単結晶のインゴットから薄板を切断する切断機としては、内周刃式切断機、外周刃式切断機、インゴット回転式切断機、横型、縦型等の切断機の各種形式が用いられる。
【０００６】
例えば１ｍの長さのシリコンインゴットから、５００枚（切り代＝１．０ｍｍ、厚さ＝１．０ｍｍとして）乃至２０００枚（切り代＝０．２ｍｍ、厚さ＝０．３ｍｍとして）のシリコンウェーハが切断される。このウェーハの切断には、長時間を要する。例えば、３００枚程度のウェーハの切断に、例えば８時間程度が必要とされる。
【０００７】
なお、半導体技術において、荷電粒子線を用いた加工工程において、チャージアップによる位置ずれ等を防止する技術は、従来より各種知られてる（例えば特許文献１、２等）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−５７１５１号公報（第１頁）
【特許文献２】
特開平１１−１５４４７９号公報（第１図）
【非特許文献１】
Ｍ．  Ｎｅｕｂｅｒｇｅｒ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｊ．  Ｗｅｌｌｅｓ，  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｄａｔａ  Ｓｈｅｅｔ  ＤＳ−１６２．  １７  （Ｏｃｔ．  １９６９）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、１ｍの長さのシリコンインゴットから、例えば２５００枚程度のウェーハを切り出すことができるものとすると、現状の多結晶シリコンと同等のコストで太陽電池が作製されることになり、単結晶を利用した太陽電池の一般用途での利用も近い。太陽電池は、光の吸収が必要であり、加工にある程度の強度が必要であるため、厚さの制約が設けられている。これらの条件を総合すると、ウェーハの厚さとして０．１ｍｍ以上あれば良いことが知られている。
【００１０】
したがって、１ｍの長さのシリコンインゴットからは、原理的に、１０，０００枚のウェーハを取り出すことができる。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、単結晶のインゴットを高精度に且つウェーハ作製に要する時間を特段に短縮する方法と装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、純度が高く、表面精度が高いウェーハを得ることを可能とする方法と装置を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、被加工物を加工精度を高く複数のダイ等に分割することを可能とする方法と装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の１つのアスペクト（側面）に係る方法は、
（ａ）単結晶のサンプル側面を、前記サンプルの劈開面に対して所定角をなす方向に切り出して平面を作成するステップと、
（ｂ）前記切り出した平面を表面処理するステップと、
（ｃ）前記平面に対して、前記サンプルの劈開面に平行な方向に沿って加工用のビームを照射し、前記ビームの照射位置に沿って前記サンプルに劈開を生じさせ、劈開面を切断面とする薄板に切断するステップと、を含む。
【００１５】
本発明の他のアスペクト（側面）に係る方法は、
（ａ）インゴット側面を、前記インゴットの劈開面に対して垂直方向に切り出して平面を作成するステップと、
（ｂ）前記平面を表面処理するステップと、
（ｃ）前記平面に対して、切断方向に平行な方向に沿って加工用のビームを照射して打ち込み、前記ビームの照射位置に沿って前記インゴットに劈開を生じさせ、劈開面を切断面とするウェーハに切断するステップと、を含み、スライシング工程に適用して好適とされる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、前記ステップ（ｂ）において、前記平面を鏡面加工する。本発明において、好ましくは、前記ステップ（ｃ）において、前記単結晶のインゴットの前記平面上での前記加工用のビームの照射位置が、前記インゴットの切断線を所定の範囲で往復するように、前記加工用のビームを振らせるようにしてもよい。
【００１７】
前記課題の少なくとも１つを解決する本発明の他のアスペクト（側面）に係る方法は、被加工対象物である単結晶のサンプルに加工用のビームを照射し、前記サンプルに衝撃を与えることで、前記サンプルに劈開を生じさせ、前記サンプルの劈開面を切断面として前記サンプルを分割する、ことを特徴としたものであり、ウェーハを複数のダイに分割する工程等に適用して好適とされる。
【００１８】
本発明は、好ましくは、前記ビームが電子ビーム、あるいは、電子ビームとイオンビーム、あるいは、レーザビームよりなる。
【００１９】
本発明のさらに別のアスペクトに係る装置は、単結晶のサンプルの表面に、加工用のビームを照射するビーム源を備え、前記サンプルの切断箇所に対して、前記ビーム源からの前記加工用のビームが、所定の範囲で直線状に掃引させて照射され、前記ビーム源において、前記加工用ビームの供給を制御することで、前記サンプルの表面に衝撃を与えて、劈開を生じさせる。本発明に係る装置において、好ましくは、前記加工用ビームの立ち上がりが急激に行われるように制御する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の構成の概要、原理、実施例について以下に説明する。
【００２１】
本発明に係る方法は以下のステップよりなる。
【００２２】
ステップ１：単結晶のインゴットの直胴部（側面）の表面に、インゴットの劈開面に対して垂直方向に切り出して平面を作成する。
【００２３】
ステップ２：平面をポリシング装置で鏡面研磨する。
【００２４】
ステップ３：鏡面加工された平面に対して、切断方向に沿って、加工用のビーム（電子ビーム）を打ち込み、該ビームの照射位置に沿ってインゴットに劈開を生じさせ、劈開面を切断面とするウェーハに切断する。
【００２５】
ステップ３において、平面上での加工用のビームの照射位置が、前記インゴットの切断線を所定の範囲で往復するように、前記加工用のビームを振らせる。
【００２６】
このように、本発明は、ビームにより衝撃を与えて、劈開を生じさせ、劈開面を切断面とする略円板状薄板のウェーハに切断する。
【００２７】
本発明をウェーハを複数のダイに分割するダイシング工程に適用した場合、単結晶のウェーハに加工用のビームを照射し、該ウェーハに衝撃を与えることで、該ウェーハに劈開を生じさせ、該ウェーハの劈開面を切断面としてサンプルを分割する。なお、本発明は、半導体製造工程におけるダイシング工程以外にも、単結晶サンプルの任意の分割工程に適用可能である。かかる本発明は、単結晶のシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、サファイアのダイシング等に適用して好適とされる。
【００２８】
［発明の原理］
本発明に係る単結晶インゴットの切断は、その原理として、劈開を利用している。単結晶の劈開とは、ある結晶軸方向に衝撃をあたえると、結晶軸方向に瞬時に割れる現象をいう。そして、劈開面は、平坦で不純物の少ない面となり、通常、この面で数々の半導体の実験が行われる。例えば単結晶の劈開面は、表面原子が稠密に配置されている場合、表面粗さの凹凸は原子の大きさの１、２層分といった微小高さとされる。以下に、切断の手順を説明する。
【００２９】
劈開による結晶軸方向の割れを利用してウェーハのスライスを行う場合、ビームが結晶軸方向に一様に打ち込まれている必要がある（単結晶インゴット内での荷電粒子（電子又はイオン）の飛程距離が一様）。表面が荒れていると、うまく劈開が生じないことがある。そこで、劈開面に対して直交する方向に延在されるインゴット側面に平面を切り出し、該平面をポリシング装置で平坦化（鏡面仕上げ）し、例えば電子ビームを振らせて衝撃を与えることで、格子欠陥を生じ、劈開を生じさせる。以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００３０】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の構成を模式的に示す図である。本発明の一実施例の装置は、電子ビーム源２０を備え、電子ビーム２１が、シリコンインゴット１０の表面（平坦面）１２で集光するように設定される。シリコンインゴット１０の表面（平坦面）１２は、シリコンインゴット１０の円筒外周側面を、シリコンインゴット１０の劈開面（［１１０］又は［１１１］面）に垂直な方向に、切断装置又は研削装置等で研削することで、切り出し、切り出された面をポリシング装置で一次研磨し、一次研磨後、ヘイズを除去し完全な鏡面に仕上げる仕上研磨を行い、鏡面加工される。
【００３１】
シリコンインゴット１０において、電子ビーム２１を照射する箇所に開口を有するマスク（図示されない）で覆うようにしてもよい。
【００３２】
半導体ウェーハの母材である略円柱状のシリコンインゴット１０において、劈開面は、［１１０］又は［１１１］面とされている。
【００３３】
シリコンインゴット１０を固定し、電子ビーム源２０は、シリコンインゴット１０の平坦面１２に対して、電子ビーム２１を、劈開を生じさせるに十分な所定の範囲で直線上を往復させる。電子ビーム２１によりインゴット１０に、所定の幅（図１のビームトレース）で衝撃を加え、格子欠陥を作ると同時に、その部分の温度が上昇し、熱膨張によって熱応力が発生するので、劈開を容易に生じさせることができる。これにより、ウエーハのスライシングを行う。
【００３４】
電子ビームの照射により、電子はインゴット（固体）の表層原子との弾性衝突によって外部に反射されたり、固体構成原子と非弾性衝突を繰り返し、エネルギーを失いながら、固体内へ侵入していき、この際、熱の発生、固体原子の励起、イオン化、二次電子、Ｘ線の発生が起こる。電子ビームの照射により、インゴット表面は部分的に高温となり、結晶格子が転位などにより、歪むためにできる格子欠陥が生じる。電子ビームを用いる場合、電子を放出するフィラメント（陰極）が用いられ、さらに、制御電極（グリッド）、陽極、集束レンズ、偏向コイルを備えた電子ビーム装置が用いられる。なお、シリコンインゴット１０において、電子ビームを照射する箇所に開口を有するマスク（図示されない）で覆うようにしてもよい。あるいは、格子欠陥を作るための加工用ビームとしては、良好なビーム指向性を有する中性ビームを用いてもよい。
【００３５】
本実施形態では、シリコンインゴット１０の劈開面に沿って、電子ビーム源２０からの大電流の電子ビーム２１の照射スポットを往復させ、劈開を生じさせるものであり、往復振動の周期（掃引周期）は、ビーム照射位置の移動速さが、例えば、音速を超えるものとされる。電子ビーム２１は、当該周波数で掃引される。ＣＲＴの場合、電子ビームでは５０ＭＨｚ以上の周波数で掃引され、シリコン中での音速（９ｋｍ／ｓ）をゆうに越えている。ただし、円柱レンズなどを利用して焦点形状が線状になる場合には、特に掃引が必要でない場合もある。これは、焦点が点状となるビームの場合、掃引が結晶軸に沿って行われるが、焦点形状が線状の場合、ビームを掃引せずとも、同様の作用・効果を奏し得る場合があるためである。
【００３６】
シリコンインゴット１０の劈開は、瞬時に行われる。このため、本実施例によれば、極めて短時間で、ウェーハ切断処理が完了する。
【００３７】
切断されたウェーハ（アズカットウェーハ）は、面取り、ラッピング、熱処理、ポリシング等の一連の工程を経て、目的とするデバイス（例えば太陽電池、集積回路等）の製造工程に供せられる。例えばウェーハ上に公知の製造プロセスによって製品デバイス（例えば太陽電池、集積回路等）が作製される。太陽電池の製造方法としては、例えばｐ型単結晶Ｓｉウェーハ上に、気相拡散法、塗布拡散法あるいはイオン注入によりｎ＋不純物層を形成してＰＮ接合を形成し、透明の導電部材を用いて表面電極を形成し、さらに裏面電極を形成する工程が含まれる。太陽電池表面での光の反射による効率低下を防ぐ構造として、太陽電池表面に微小な（例えば１〜２μｍ）ピラミッド形状の凹凸を形成し、多重反射によって表面反射を減少させる構成（ＣＮＲ太陽電池（Ｃｏｍｓａｔ  Ｎｏｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ））としてもよいことは勿論である。
【００３８】
上記実施例では、単結晶Ｓｉインゴットを例に説明したが、例えば、単結晶ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いても良い。
【００３９】
インゴットの薄板への切断に、劈開を利用した上記実施例によれば、下記の作用効果を有する。
【００４０】
この実施例においては、ソーを利用していないため、ソーの刃の厚さによる切り代が不要となる。このため、より多くのウェーハを得ることができる。また、薄いウェーハを得ることができる。この実施例によれば、１ｍの長さのシリコンインゴットからは、原理的に、数千枚程度、さらにその数倍の枚数のウェーハを取り出すことができる。
【００４１】
この実施例においては、ウェーハの切断面に、ソーの材料が混入しないため、純度が高く、表面精度が高い。
【００４２】
そして、劈開は、瞬時に生じるため、切断作業時間を短縮することができる。このため製造コストの低減を可能としている。
【００４３】
劈開面は、表面の原子が揃っており、この実施例によれば、太陽電池への加工が容易化する。すなわち、劈開を利用してインゴットから切断されたウェーハは、ブレード等で、切断されたものと比較しての表面粗さ等の特性が良好とされる。鏡面加工等の処理を容易化し、製造コストのさらなる低減を可能としている。
【００４４】
このように、この実施例によれば、太陽電池等のデバイスをシリコン単結晶、ＧａＡｓ単結晶で作る上での重要な技術的な課題を解決している。上記した実施例で切断されたウェーハは、太陽電池以外の任意の半導体デバイスの製造に用いられることは勿論である。
【００４５】
図２は、本発明の第２の実施形態を説明するための図である。シリコンインゴットに劈開を生じさせる外力は、好ましくは、衝撃的に且つ急に加えられる。すなわち、電子ビーム２１の時間的な立ち上がり時間を極めて短くすることが好ましい。電子ビーム源２０において、高電圧を、急激に印加することは、必ずしも容易でない場合もある。そこで、本実施例では、電子ビーム２１を予めコレクタプレート２２に当てておき、該電子ビーム２１の偏向（向かう位置）を切り替えることで、シリコンインゴット１０に外力を加える。この場合、電子ビーム２１を変調して、トレースする方向と同じ方向に、コレクタプレート２２を設けるとよい。なお、図２において、単結晶シリコンインゴット１０はウエーハの切断が行われるたびに、電子ビーム２１の照射位置に移動させる。あるいは、電子ビーム源２０を移動して、電子ビーム２１の照射位置を次の切断位置に移動させる。図２では、電子ビーム源２０を移動する場合、コレクタプレート２２の形状は、インゴット１０の長手方向に沿って配設されている。図２において、劈開面を、結晶面の［１１０］か［１１１］面としている。
【００４６】
劈開で切断される被加工材としては、単結晶シリコンのほかに、ＧａＡｓ、ＳｉＣ等であってもよい。
【００４７】
電子ビームの照射により、単結晶中に格子欠陥（転移）が生じ、電子ビームのエネルギーによって熱膨張が生じ、内部応力に温度変化が生じ（熱応力）、これによって、劈開が生じるものと思料される。
【００４８】
このため、電子ビームの照射による劈開の前にシリコンインゴットを予め冷却しておくことで、室温状態の場合よりも、より大きな熱膨張による熱応力が発生し、良好な劈開が得られる。シリコンインゴットは、例えば液体窒素によって冷却される。
【００４９】
次に電子ビームの単結晶シリコン中での飛程は、加速エネルギー６０Ｋｅｖで２２μｍ程度であり、加速エネルギー１５０Ｋｅｖで２００μｍ程度とされる。電圧を一定とし電流値を上げると、単結晶シリコンインゴットへ注入される電子のエネルギーが増大するが、単結晶シリコンの融点以上に温度が上昇すると、単結晶シリコンが溶けてしまい、熱応力は発生しない。
【００５０】
電子ビーム源では、ある加速電圧に対して、単結晶シリコンで最大の熱応力を発生する電流で電子ビームを照射することが好ましい。
【００５１】
加工用ビームをパルス状の発振させる構成としてもよい。
【００５２】
荷電粒子ビームの集束は、ビーム電圧と荷電粒子の電荷のクーロン反発力で決定される。ビーム径（スポット）を小さくするには、高電圧が用いられる。
【００５３】
クーロン反発力を低減するには、電子ビーム（負電荷の電子）とイオンビーム（正電荷のイオン）を同時に照射する方法が用いられる。ビーム中の電荷密度が低減され、ビーム集束性が改善し、電子ビームのみの照射の場合と比べて、スポット径を小さくすることができる。
【００５４】
以下、電子ビーム源２０の実施例について説明する。まず、一般の電子ビーム源について概説しておく。電極のカソード（図５の２０１）から電子が電極に印加された電圧で加速され真空中に飛び出し、集束コイル（図５の２０４）でビームが焦点を持つように絞られ、偏向コイル（図５の２０５）で必要な位置に電子ビームを導くように制御される。溶接機の主な仕様は、加速電圧：  ６０Ｋｖ、ビーム流：０．１Ａ、ビーム径：０．１〜０．３ｍｍ、偏向コイル周波数：  ５ｋＨｚ以下とされ、溶接以外には、焼き入れ、真空封じなどに利用されている。
【００５５】
よく知られているように、テレビジョン受信機等のＣＲＴ（陰極線管）は、溶接機とフィラメント、電極、グリッド、電極等はほぼ同じ構成であり、電子レンズ系も同じであるが、ＣＲＴの方が焦点の大きさは小さく（５０μｍ程度）、加速電圧は低い（２０ＫＶ程度）。電子レンズ系よりはＣＲＴの方が精密である。真空度はＣＲＴの方が高い。これは、電圧が低いこととビームスポットを小さくをするためである。水平偏向ヨークと垂直偏向ヨークは、水平偏向回路及び垂直偏向回路から水平周波数、垂直周波数にそれぞれ同期した鋸波で掃引されている。ＣＲＴの電流値は０．１ｍＡのオーダーである。
【００５６】
また、電子顕微鏡のスポット径は小さく電子ビームの加速電圧は４００ｋＶ程度とされ、高真空とされ、対象物を破壊しないため、及び、ビームスポット径を小さくするために、電流値は極めて低い。電子顕微鏡では電子ビームを加速するために大きな電力は必要としない。一方、溶接機は金属などを溶かす必要があるため電子顕微鏡やＣＲＴより電力が必要であり、そのため電流が大きくなる。即ち、こられの消費電力は、
電子顕微鏡  ＜  ＣＲＴ  ＜  溶接機
となる。
【００５７】
次に、本実施例における劈開用電子ビームの電子銃と電極の構造について以下に説明する。単結晶シリコンインゴットの劈開を行うための電子ビーム装置は、以上で述べてきた溶接、ＣＲＴ、電子顕微鏡とは相違している。すなわち、半導体結晶に刃を当てて衝撃を与えることによって劈開が生じることに対応するように、電子ビームを急激に立ち上げる必要がある。一方、溶接機、ＣＲＴ、電子顕微鏡も、電極は電子ビームを必要な電圧まで加速するために用いられるだけである。高電圧で大電力を瞬時に立ち上げる電源は、高価であるか、製作が困難である。そこで、本実施例では、図３に示すように、陽極を、２つの電極１０４、１０５と２つに分ける。そして、第２の加速電源１０７は、直流電圧電源とし、第１の加速電源１０６の電圧を制御することによって、電子ビーム１０５の立ち上げ時間を制御する。
【００５８】
図４は、図３の劈開用電子ビーム加速電源の電圧波形の一例を示す図である。図４に示すように、第２の加速電源（加速電源２）は直流電源とする。電子ビームのオン、オフを制御する第１の加速電源（加速電源１）は、電子ビームがオフの時は、フィラメント付近の電場をゼロにするために、第２の加速電源とは逆電圧を印加しておく。そして、電子ビームを引き出す時には、第１の加速電源の出力電圧を短い立ち上がり時間で、正電圧とし、フィラメント部分の電場を電子ビームが取り出せる方向にする。
【００５９】
サンプルの劈開を行うためには、瞬時に応力をかける必要がある。瞬時とは、例えば音波が伝わる時間でよい。これは、従来の劈開が、ナイフエッジ等をサンプルの劈開軸に沿ってたたく等の方法で、機械的にサンプルに衝撃を与えることで行われている。衝撃であるための条件として、衝撃波であることが必要とされる。衝撃波は、音速を超えて伝わるため、音速が一つの基準を与える。また、サンプルを割る方向に力をかける必要がある。これは、通常の機械的な劈開では、ナイフエッジ等の利用に対応している。本発明では、ビームの照射によりエネルギーが注入され、サンプルの温度が上昇し、熱膨張することが、サンプルを割る方向に力が働くメカニズムを利用している。このため、機械的な劈開よりも、高精度な劈開を可能としている。
【００６０】
劈開を生じさせるサンプルの寸法にもよるが、この立ち上がり時間（ｒｉｓｅｔｉｍｅ）はオーダーとしてμｓ（マイクロ秒）程度と計算される。
【００６１】
図３の第１の加速電源１０６の出力電圧の立ち上がり時間を、μ秒とすることは、２ｋＶ程度であれば、公知の回路で、容易に実現できる。
【００６２】
次に、本発明のさらに別の実施例について説明する。前記実施例では、インゴットからのウエーハの切断に劈開を用いたが、本実施例は、電子ビームによる単結晶材料を劈開を用いて、ウェーハを複数のダイに分割するものである。
【００６３】
図５は、本実施例を説明するための図である。すなわち、シリコン、ガリウムヒ素、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、サファイアなどの単結晶をサンプル２０６として、電子ビームを照射して割る。電子ビームを高速で走査（掃引）する。
【００６４】
サンプル２０６は、単結晶で極めて純度の高い材料は絶縁物となるので、電子ビームの照射によってサンプル２０６が帯電し、電子ビームの位置がずれる。実験では、最初に金属板の上に照準をきめた位置よりも１ミリ程度（条件にもよる）ずれる。また、帯電の結果、ビームが直線上を走らないこともある。
【００６５】
そこで、図６に示すように、シリコン、ガリウムヒ素、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、サファイアなどの単結晶サンプル３０１の表面の電子ビーム３０３が当たる側に導電性部材３０４を薄く塗布するか、貼り付けるか、あるいはメッキ処理し、導電性部材３０４表面をアース電位のサンプル台３０２と、ワイヤ接続等で電気的コンタクト３０５をとり接地する。サンプル３０１表面の電荷を放電する。
【００６６】
あるいは、図７に示すように、サンプル３０１の表面近傍に、導電性のマスク３０６を置き、マスク３０６をサンプル台３０２と電気的コンタクト３０５をとる。電子ビーム３０３はマスク窓３０７を通り、サンプル３０１の表面に当たるようにする。この実施例は、表面に塗った導電性部材が、サンプルに混入しない。
【００６７】
なお、加工用ビームとしてレーザを用いてもよい。
【００６８】
図１の実施例では、電子ビーム２１を加工表面上で直線状に走査（掃引）している。集束制御のレンズ系に、例えば円柱レンズを用いることで、焦点の形状が線状とすることができる。この場合、ビームの掃引は必要とされない。線（ビームの焦点）が、結晶軸方向に沿っている。例えば厚さ２ｍｍのシリコン単結晶において、１．１−６．５μｍの波長の光の吸収が常温で５５％であるため、より深くシリコン単結晶中に入り込む。このため、電子ビームを引き出す電圧（５００ｋｅＶ相当）を上げて、エネルギーが高くなったことと同等な効果がある。また、この波長領域は、各種パルスレーザが適用可能であるため、装置の設計自由度を拡大している（非特許文献１）。
【００６９】
以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の原理に準する範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子ビーム照射による劈開を利用してスライシングを行うため、切り代が不要もしくは小さくてすみ、より多くの薄板を得ることができる、という効果を奏する。
【００７１】
また、本発明によれば、薄いウェーハを得ることができるという効果を奏する。
【００７２】
さらに本発明によれば、ウェーハの切断面に、ソーの材料が混入しないので、極めて純度が高く、表面精度が高いウェーハを提供することができる。
【００７３】
本発明によれば、劈開は瞬時に生じるため、スライシング、あるいは、ダイシング時間を短縮することができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００７４】
本発明によれば、劈開面は、表面の原子が揃っており、デバイスの加工工程を容易化している。そして、本発明によれば、半導体デバイスの製造コストの低減を図ることができる。
【００７５】
さらに本発明によれば、電子ビームの立ち上がり時間を短縮化しており、電子ビームによる劈開を容易化している。
【００７６】
さらに本発明によれば、サンプルへの帯電防止を行うことで、荷電粒子ビームによる加工精度を向上させている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例の電子ビーム源の構成を説明するための図である。
【図４】図３の電子ビーム源の加速電源の電圧波形の一例を説明するための図である。
【図５】本発明の他の実施例を説明するための図である。
【図６】本発明の他の実施例を説明するための図である。
【図７】本発明の他の実施例を説明するための図である。
【図８】従来のウエーハの切断を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  シリコンインゴット
１２  平坦面（切出面）
２０  イオン源
２１  電子ビーム
２２  コレクタプレート
１０１  フィラメント電源
１０２  フィラメント
１０３  電子ビーム
１０４  第１の陽極（陽極１）
１０５  第２の陽極（陽極２）
１０６  第１の加速電源（加速電源１）
１０７  第２の加速電源（加速電源２）
２０１  陰極
２０２  陽極
２０３  電子ビーム
２０４  集束コイル
２０５  偏向コイル
２０６  サンプル
３０１  サンプル（絶縁性サンプル）
３０２  サンプル台
３０３  電子ビーム
３０４  導電性部材
３０５  電気的コンタクト（接続）
３０６  マスク
３０７  マスク窓
【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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