(57)【要約】エッジの損傷を最小にし得るように薄いシリコン本体を切断する方法において、負圧中において、又は製造ガス或いは希ガスの存在下において、パルスレーザーのビームにより前記シリコン本体を横切ることを備えた。
2004504729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体エレクトロニクスデバイスの製造に使用するため中空の半導体シリコン本体をウェハに切断する方法において、
負圧内又は製造ガス及び希ガスの１つ又は２つ以上から成るガス状媒体の存在下において短パルスレーザーで前記半導体本体を切断するステップを備える、切断方法。
【請求項２】
請求項１による方法において、前記ガス状媒体の実質的に全てが一つの希ガスから成る、方法。
【請求項３】
請求項１による方法において、前記ガス状媒体の実質的に全てが、製造ガス、ヘリウム、アルゴン、ネオン及びクリプトンの１つ又は２つ以上から成る、方法。
【請求項４】
請求項１による方法において、前記ガス状媒体の実質的に全てがヘリウムから成る、方法。
【請求項５】
請求項１による方法において、前記ガス状媒体の実質的に全てがアルゴンから成る、方法。
【請求項６】
請求項１による方法において、前記切断がＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用して行われる、方法。
【請求項７】
請求項６による方法において、前記レーザーが５０Ｈｚパルスの反復率を有する、方法。
【請求項８】
請求項７による方法において、前記レーザーが１０ｎｓパルスの持続時間を有する、方法。
【請求項９】
請求項１による方法において、前記ガス状媒体の実質的に全てが製造ガス、ヘリウム、アルゴン、ネオン及びクリプトンの１つ又は２つ以上から成り、更に前記レーザーが、５０Ｈｚ程度のパルス反復率及び１０ｎｓ程度のパルス持続時間を有するレーザービームを発生させるＮｄ：ＹＡＧレーザーである、方法。
【請求項１０】
請求項１による方法において、前記中空本体を支持するステップと、該中空本体から矩形のウェハを切断し得るように選ばれた水平方向及び垂直方向経路内で前記中空本体を横切るレーザービームを提供し得るように前記レーザーを作動させるステップとを更に含む、方法。
【請求項１１】
固体エレクトロニクスデバイスの製造に使用するため中空の半導体シリコン本体をウェハへと切断する方法において、
前記半導体本体を取り囲む環状の空間を画成するように該半導体本体をカラーで取り囲むステップと、
製造ガス及び希ガスであるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ及びＫｒから成る群から選択された１つのガスを前記環状空間内に噴射するステップと、
レーザーエネルギーパルスを前記環状空間を通して前記半導体本体に照射するように作動される短パルス長レーザーを用いて前記半導体本体を切断し、これにより、前記半導体本体のレーザー切断が前記ガスの存在下で行われるようにするステップとを備える、方法。
【請求項１２】
請求項１による方法において、前記カラーがレーザーエネルギーに対して透過性がある窓部を有し、更に、前記レーザーパルスが前記半導体本体にて前記窓部を通じて向けられる、方法。
【請求項１３】
半導体本体を切断する方法において、
前記レーザーエネルギービームが前記半導体本体を切断する作用を果たすように前記半導体本体に向けられたガス支援ノズルにレーザーエネルギービームを通すステップと、
製造ガス及び希ガスであるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ及びＫｒから成る群から選択された１つのガスを前記ガス支援ノズル内に噴射し、前記ガスが前記半導体本体と接触するように前記ノズル外に進み、これにより、前記半導体本体のレーザー切断が前記ガスの存在下にて行われるようにするステップとを備える、方法。
【請求項１４】
請求項１３による方法において、前記レーザーエネルギービームが短パルスレーザーにより発生される、方法。
【請求項１５】
請求項１４による方法において、前記レーザーがＮｄ：ＹＡＧレーザーであり、前記半導体本体がシリコンである、方法。
【請求項１６】
請求項１３による方法において、前記切断が、前記半導体本体から四角形のウェハを切断し得るように行われる、方法。
【請求項１７】
半導体本体を切断する方法において、
レーザーエネルギーを透過可能な窓部を有する容器内に前記本体を配置し且つ前記本体が空気の無い環境となるように前記容器を排気するステップと、
レーザーエネルギービームを前記容器内の前記窓部を通じて前記半導体本体に通し且つ前記レーザーエネルギービームが前記半導体本体の一部を切断するように前記レーザーエネルギービームが前記半導体本体を横切るようにするステップとを備える、方法。
【請求項１８】
請求項１７による方法において、前記レーザーエネルギービームがＮｄ：ＹＡＧレーザーにより発生され、前記ビームが前記本体からウェハを切断するように作用する、方法。
【請求項１９】
請求項１８による方法において、前記本体がＰドープ処理されたシリコンからなる、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、米国主契約第ＤＥ−ＡＣ３６−８３ＣＨ１００９３号に基づく二次契約である二次契約第ＺＡＸ−８−１７６４７−１０号に基づいて為されたものである。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、半導体材料を切断するためレーザーを使用すること、特に、ＥＦＧ成長材料のレーザー切断に関する。
【０００３】
【発明の背景】
ある溶融体から所要形状の結晶性材料を成長させるＥＦＧ法は、米国特許第４，９３７，０５３号、米国特許第５，１０２，４９４号及び米国特許第５，５５８，７１２号により例示されるように周知である。光電池セルを製造するときにＥＦＧ材料を使用することも、米国特許第４，７５１，１９１号、米国特許第５，６９８，４５１号、米国特許第５，１０６，７６３及び米国特許第５，１５１，３７７号により例示されるように、周知である。例えば、リン酸ドープケイ素の八面体のような、ドープ処理された半導体材料の中空の多角形体を成長させるためＥＦＧ法を使用すること、また、光電池セルの製造に使用される矩形のウェハ又はブランクとなるようにこれらの多角形体を分割するためにレーザーを使用することは通常の手法である。より最近の開発努力は、例えば、直径約５０ｃｍ及び肉厚１００乃至７００μｍ（ミクロン）の円筒体のような、大径で薄い肉厚のケイ素の円筒体を成長させることに注力されている。
【０００４】
ある材料のレーザー切断は、レーザーエネルギーの材料内への吸収、その結果としての局部的な温度上昇、材料を溶融させ且つ蒸発させること、その溶融し且つ蒸発した材料を切断される物から運び去ることを含む。中空のＥＦＧ成長ケイ素体からウェハを切断するための既存技術の発展は、利用可能な平均パワーが最高のレーザーを開発することに至る、切断速度を最大にすることの必要性がその動機となっている。従来、中空のケイ素体をウェハに切断することは、平均パワーレベルが約１００乃至５００ワット（「Ｗ」）の従来のＮｄ：ＹＡＧ及びＣＯ２レーザーのような、従来の産業用レーザーを使用して空気中で行われていた。これらのレーザーは、それぞれ約３００乃至５００マイクロ秒という比較的長いパルス長さにて作動し、切断は主として溶融をする機構を使用して行われる点について、その切断作用が同様である。これらの従来のケイ素体のレーザー切断方法は、厚さ３００μｍのケイ素に対し２５乃至５０ｍｍ／秒程度の切断速度を有する。更に、弱体なＥＦＧ成長ケイ素体をレーザー切断する同一の従来の方法の結果、シリコンウェハのエッジにレーザーに起因する損傷が生じる。
【０００５】
シリコンウェハに対するレーザーに起因するエッジの損傷は、加熱されたとき材料の物理的性質が変化することの結果である。これらの変化が検出可能である材料の深さは、熱影響領域（「ＨＡＺ」）と称されている。ＨＡＺにおける欠点は、マイクロクラック及び塵（「スラグ」）の沈着という２つの型式のものがある。通常、多数であるマイクロクラックは、切断エッジにて開始し且つそのエッジに対して全体として直角に拡がり、次に、切断エッジに対して平行に伸び得るように約９０°方向変更する。一例として、パルス時間が０．５ミリ秒（ｍ秒）、パルスエネルギーが約５００ミリジュール（ｍＪ）及びビーム直径が約１５０乃至２００μｍのガウススポットを有するＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用して厚さ３００μｍのシリコンを空気中で切断するとき、マイクロクラックが切断エッジから５０μｍまで伸びる可能性がある。こうしたマイクロクラックは、レーザー切断したウェハを物理的に弱体とするから、極めて望ましくない。スラグは主として、溶融し且つ蒸発した状態から再凝固したシリコン及びＳｉＯ２（切断領域内に空気が存在するとき）から成っている。沈着したスラグは切断したウェハのエッジの弱体化の原因となる。
【０００６】
損傷されたエッジ材料は、光電池セルを製造するために切断したウェハを加工することができる前に化学的エッチングにより除去する必要がある。ＨＡＺが深ければ深い程、ウェハのエッジからより多くの材料を除去しなければならない。不都合なことに、エッジの損傷が生じると、太陽電池の製造目的のため、許容可能なウェハの収率が低下し、また、ウェハを太陽電池又はその他の装置に変換するために必要とされる幾つかの工程を開始する前に、損傷したエッジ材料をウェハから除去する必要性のため、コストが増大する。
【０００７】
結晶状シリコンとレーザービームの相互作用及びＨＡＺの程度に影響する重要なレーザーの性質は、レーザーパワー、及び波長、温度、最高レーザーパワー及びガス組成に対する吸収率の変化である。これらの因子は、切断速度の限界値及び熱伝導機構並びにその後のＨＡＺの形成並びにエッジの損傷に大きい影響を与える。しかし、レーザー切断箇所を取り巻く材料への熱入力はＨＡＺの程度及びマイクロクラックの発生並びにその長さを決定することになるから、エッジの損傷を減少させようとして、切断速度を増し得るようにレーザーパワーを最高にするという基本的必要条件は、シリコン材料に対する熱入力を制限することと組み合わせなければならない。レーザービーム波長に依存して、パルス長さは十分に長く、シリコン結晶材料を約６００℃以上に加熱してシリコンを溶融させるべく十分なエネルギーが最初にシリコン結晶材料中に保持されるようにしなければならない。ＨＡＺを最小にするため、レーザーパルスエネルギーは溶融閾値付近に保たなければならない。
【０００８】
レーザーエネルギーを使用するときの損傷無しで且つ迅速なシリコンの切断は、シリコンウェハを光電池セル又はその他の半導体デバイスに変換する過程の色々な段階にて高収率を実現し且つ材料コストを削減するための開発努力における依然として明確ではないものの必要な目標である。
【０００９】
【発明の目的及び概要】
本発明の主要な目的は、レーザーにより結晶材料を切断する新規且つ改良された方法を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、太陽電池又はその他の固体半導体デバイスの製造時に使用されるウェハを製造し得るようにレーザーにて半導体本体を切断する新規且つ改良された方法を提供することである。
【００１１】
更なる目的は、エッジの損傷を減少させ得るように、レーザーにて結晶材料を切断する改良された方法を提供することである。
更に別の目的は、シリコンのような結晶材料をレーザー切断するときの速度を向上させることである。
【００１２】
より具体的な目的は、切断材料のエッジにてマイクロクラック又はその他の損傷の発生を最小にしつつ、迅速な速度にてレーザーにより薄いシリコン本体を切断する改良された方法を提供することである。
【００１３】
別の具体的な目的は、ＥＦＧ成長した中空のシリコン本体を矩形ウェハ又はブランクにレーザー切断し、その切断が最適な速度にて行なわれ且つウェハのエッジにおけるマイクロクラックの数が減少するようにする改良されたレーザー切断方法を提供することである。
【００１４】
以下の詳細な説明から明らかとなる上記の目的及びその他の目的は、選ばれた真空又は非酸素雰囲気内でレーザーにより半導体材料を切断することにより実現される。より具体的には、レーザー切断は、負圧中で又は製造ガス及び希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、ＡＲ及びＫｒ）から成る群から選ばれた１つ又は２つ以上のガスの存在下にて行なわれる。本発明のその他の特徴及び有利な点は、以下の詳細な具体的な説明及び添付図面に開示され又はこれらから明らかになる。
【００１５】
【本発明の詳細な説明】
シリコン又はその他の任意の材料を空気中で切断するためにレーザーを使用するとき、空気を分解させるであろう値以下の最高パワー密度をビーム焦点にて提供し、また、約５×１０９ワット平方センチメートル（Ｗ／ｃｍ２）のパワー密度にて生じるプラズマを形成し得るようにレーザーを作動させなければならない。プラズマの形成は、レーザーエネルギーの実質的全て又は殆んどを消費してしまい、このため、切断すべき材料に達するエネルギーが殆んど無いから、レーザーの切断を阻止することになる。空気中でのレーザー切断から、全体として、ＨＡＺは空気がプラズマに分解するときの値よりも僅かに低い最高パワー密度にて任意の所定の材料に対してより小さくなることが判明している。しかし、上述したように、レーザーパルスエネルギーはＨＡＺを最小にし得るように溶融閾値付近に保たなければならない。この点に関して、シリコンを溶融させるのに必要な最小エネルギーは約２００Ｊ／ｃｍ２であり、また、シリコンを蒸発させるのに必要な最小エネルギーは約１０００Ｊ／ｃｍ２であることが分かっている（実際に一般的であるように、レーザービームの直径が５０乃至２００μｍ程度である場合、溶融及び蒸発エネルギーの閾値は、それぞれパルス当たり約４ｍＪ及び約６４ｍＪである）。
【００１６】
パルス長さが短いレーザー（すなわち、パルス幅が１０ナノ秒以下の範囲のレーザー）は、エッジの損傷を最小にし得るように使用されるシリコンウェハの高速度の切断に対して実際的なものにする範囲までその平均パワーレベルが向上する点にて魅力あるものである。かかるレーザーは、実際的な空気分解の実際の限界値に近い最高パワー密度を提供し得るようにすることができる。シリコンを空気中で切断するためにパルス長さが短いレーザーを利用しようとする開発努力は、パルス長さが短いレーザーエネルギーはシリコンに運ぶ熱が少なく、このため、主として溶融機構にて切断が迅速に進行するのに十分なエネルギー吸収率を許容しつつ、ＨＡＺを少なくし且つ損傷深さを浅くするとの予測により、促進されている。
【００１７】
しかし、１０ｍｍ／秒以上の有効速度にてウェハを空気中で切断するために、短いパルスのレーザーを使用しようとするときに問題点が観察されている。最高パワーが高いＱスイッチしたＮｄ：ＹＡＧレーザー及び短パルスエキシマレーザーを採用する開発努力の結果、最初に、厚さ３００乃至６００μｍのＥＦＧ成長シリコン管を空気中でレーザー切断することは最初の２５乃至５０ミクロンに亙って極めて迅速に進行するが、その後、実質的に零まで速度が低下することが判明している。また、空気中で銅蒸気レーザーを使用することは、ビームが５０００乃至１００００Ｈｚというその高パルス反復率のため、極めて迅速に侵入し、レーザー切断動作により形成された切口キャビティは、ＳｉＯ２スラグにて迅速に充填され、このため、切断エッジが接着状態に塞がれて、ウェハの除去を阻害する点にて、満足し得ないことが判明している。従って、本発明以前、かかるレーザーは溶融閾値を感知し得る程度に上廻り且つ溶融したシリコンを蒸発させるのに十分な高い最高パワー密度レベルを提供することができるのにも拘らず、ＥＦＧ工程により成長させた薄い結晶シリコン管からウェハを切断するために短パルスレーザーを使用することは実現不可能であった。
【００１８】
本発明を実現する過程にて行われた研究の結果、また、レーザー最高パワー密度が空気プラズマの分解レベル（約５×１０９Ｗ／ｃｍ２）よりも僅かに低いとき、短いパルス長さにて切断を行ったときでさえ、空気中で切断されるシリコン材料の表面付近に何らかの形態のプラズマが見られ、このプラズマは蒸発したシリコンが存在することに起因するものであり、また、プラズマの形成は、マイクロクラックの損傷の原因となり又はそれに寄与する可能性があることも確認された。
【００１９】
本発明は、通常のマイクロクラック損傷は、負圧中で又は実質的に希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ及びＫｒ）又は製造ガス（９０％Ｎ２：１０％Ｈ２）から成る選択されたガス状環境内でシリコン材料を切断することにより、短パルス長のＱスイッチしたＮｄ：ＹＡＧレーザーでシリコンを切断するときに通常直面する切断上の問題が解決され且つ通常のマイクロクラック損傷が実質的に解消されるとの知見に基づき且つこの知見を含むものである。
【００２０】
試験片に対するレーザービームの侵入、切断速度及びＨＡＺ−関連の切断損傷上に与える色々な雰囲気の効果を評価するため、一連の切断実験を行った。この試験の目的のため、その平坦な研磨した表面のため、測定が容易であることから、研磨した単結晶クロチャルスキィ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）成長シリコンの厚さ７００ミクロンのウェハの形態をした試料を使用した。５０Ｈｚパルス反復率及び１０ｎｓ（ナノ秒）パルス持続時間を有する、スペクトラ・フィジックス（Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）のモデルＰＲＯ−２９０　ＱスイッチしたＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用してシリコン試料の切断を行った。試験用のレーザーの平均パワー出力は、６５Ｗとした。パルス当たりのエネルギーは５００ｍＪとし、空気プラズマの分解が生ずる、５×１０９Ｗ／ｃｍ２よりも僅かに低い０．９×１０９Ｗ／ｃｍ２レベルの最高パワー密度を提供し得るようにレーザービームを合焦させた。レーザービームを試料に向けるときに通る窓部を有するチャンバ内に切断すべき試料を取り付けた。このチャンバは、ターボ分子ポンプ及びガスマニホルドに接続した。チャンバを評価し且つ負圧を保ち、また、チャンバを色々な選択されたガスにて充填するため、これらポンプ及びマニホルドを使用した。次の雰囲気を試験した。すなわち、空気、負圧、Ｎ２、ＣＨ２Ｆ２、製造ガス（９０％Ｎ２：１０％Ｈ２）、希ガスＨｅ、Ｎ２、Ａｒ及びＫｒである。チャンバは、上記のガスの存在下にて切断中、１大気圧の圧力に保った。
【００２１】
光学顕微鏡を使用し且つレーザー切断した溝の上面及び底面にて臨界的に合焦することにより深さを測定することで深さの測定を行った。次のような、すなわち１、２、４、８、１６、３２、６４、１２８パルスのようなインクリメントにて材料を合焦したレーザービームパルスにさらすことにより、また、各インクリメント後、溝の深さを測定することにより研磨したウェハに溝を切った。金属加工による断面形成及び光学顕微鏡により材料の損傷を検査した。
【００２２】
図１Ａ乃至図１Ｇには、負圧中及び２つを除く上記の色々な全てのガス内における材料の除去結果がグラフで示されている。この点に関して、図１Ａ乃至図１Ｇには、ヘリウム（Ｈｅ）及びアルゴン（ＡＲ）に対するグラフデータのみが示されていることを理解すべきである。しかし、ネオン（Ｎｅ）及びクリプトン（ＫＲ）も試験し、基本的に同一の振る舞いを示した。希ガスは良好に作用することが分かったため、空気雰囲気中での切断速度が不良であることに酸素が原因となるかどうかを確認するため窒素も試験した。水素が切断速度を向上させるかどうかを確認するため製造ガスを使用し、その製造ガスは、希ガスと実質的に同一の振る舞いを示すことが分かった。レーザーエネルギーにより発生された自由フッ素基が切断工程を速めることができるかどうかを確認するため、１つの雰囲気としてジフルオロメタンを試験した。
【００２３】
図１Ａ乃至図１Ｇに示したデータから、負圧を除いて、製造ガス及び希ガス雰囲気は全て、深さが増すに伴ってビームの侵入速度が遅くなることが容易に分かる。図１Ａ及び図１Ｃを比較すると、窒素及び空気は切断速度に対し同様の有害な効果を与えることが分かったが、窒素の場合、有害な効果は極めて顕著なほどではない。図１Ｆには、ジフルオロメタンを使用する結果も不良であることが示されている。負圧、希ガス及び製造ガスは、パルス数の関数と実質的に同一の材料の高除去率及び実質的に線形の除去率を示す。材料の除去率は、実験の範囲内での深さに関係なく基本的に一定のままである。負圧環境及び希ガス環境内の侵入率は、希ガスの原子量に関係なく略同一である。
【００２４】
切断速度が向上する理由は、容易に説明することはできない。１つの可能な理由は、その他の雰囲気と比較したとき、負圧及び不活性ガス中でのプラズマの発生が遅くなるためであろう。蒸発したシリコンは、材料の表面付近にて明るい青の閃光として見ることができるように、プラズマを形成するに至ると考えられるから、実験状態下にて常に、負圧中においてさえ、プラズマが形成されることが分かった。
【００２５】
へき開及び金属加工による断面形成と組み合わせて光学顕微鏡を使用して、レーザー切断の形状、溶融物すなわちスラグの存在及びマイクロクラックの存在を決定した。この試験の結果、ヘリウム環境中での切断は、マイクロクラックを生ぜずに進行し、約２００ミクロン（μｍ）の深さに達し、切断動作の極く開始時を除いて略垂直側壁となることが分かった。切断箇所の底部も「Ｖ字形」の形状であり、エッジにてスラグ及びシリコンの多少の蓄積が観察された。また、切断侵入が約２００ミクロン以上の深さになると、切口（すなわち、切断箇所）の壁にてスラグの蓄積が観察され、これにより、切断箇所の底部へのビームのアクセスを制限し、最終的に、切断可能である厚さを制限することも分かった。約２００ミクロンの深さを越えると、マイクロクラック損傷が生じることが観察された。負圧中で作動するときの切断速度及び切口すなわち切断形状は、ヘリウム雰囲気中で形成された切断と実質的に区分不可能である。これに反して、空気中の切断は、スラグが顕著に蓄積し且つ熱影響領域を有する丸形の「ボウル」形状として形成される切口を生じさせた。空気中の切断は、実質的に、上述したスペクトラ・フィジックスＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用して約５０ミクロンの深さにて終了した。追加的な実験は、多少の空気を排除することができない雰囲気に対して開放したヘリウム環境中で切断することを含むものとした。これらの追加的な実験は定量的ではないが、１２５μｍの厚いウェハの場合、切断速度は３．０ｃｍ／秒から僅かに約１ｃｍ／秒まで急速に低下し、また、切口を取り巻くスラグの沈着及び酸化物の形成の点にて切口の質が劣化することも示した。
【００２６】
厚さ１２５μｍのＥＦＧ成長させたシリコンの試料を使用して、同一のレーザー及び作動状態にて追加的な実験を行った。この場合、３．０ｃｍ／秒の切断速度にて何ら顕著なマイクロクラック損傷を生ぜずに、ヘリウム及び製造ガス中で切断を行うことができることが分かった。
【００２７】
経済的及び実際的な理由のため、ヘリウムのような希ガス環境中の切断の方が負圧内での切断よりも好ましい。現在の製造方法において、ＥＦＧ管は長さが１８２．８８ｃｍ（６フィート）（又は更に長い）であり、円筒体の場合、直径が９１．４４ｃｍ（３フィート）以上である。通常、円筒体の全体をヘリウムで充填したチャンバ内に浸漬させ、レーザービームがチャンバの窓を通じて入射するようにする必要があろう。かかる構成の場合、ロックの負圧ポンピングを含む荷重ロックが使用されない限り、切断すべき各管ごとにチャンバをヘリウムにて充填しなければならない。かかる装置の費用及び複雑さは、太陽電池を製造するためＥＦＧ管からウェハを切断するうえで経済的に実施不可能であるため、本発明を実施するためにその他の装置が考えられた。
【００２８】
図２乃至図４には、選択したガス雰囲気の存在下でシリコンのＥＦＧ成長の中空管からウェハを切断する１つの好ましい装置の形態が図示されている。説明の便宜上、シリコン管の肉厚は図３に誇張して示してある。図２には、軸１４に取り付けられた支持ディスク１２に取り付けられたＥＦＧ成長円筒管すなわち円筒体１０の短い断面が図示されている。この後者の軸は適当な駆動機構（図示せず）により垂直方向に上下動し且つ回転動作可能に取り付けられている。管部分１０は、Ｌ字形断面のカラー１６により取り巻かれており、また、図３に図示するように底部にて雰囲気に開放している。該カラーの内部空間には、本発明に従って選ばれたガス、好ましくはヘリウムが管１８を介して充填されており、この管１８は、カラーの上側部２０の開口部１９内に取り付けられ且つ適当な流れ制御弁（図示せず）を介してガス供給源２１に接続されている。該カラーは適当な支持体（図示せず）に取り付けられ、該支持体は該カラーを選ばれた高さに支持する。該カラーは、シリコン円筒体１０の相対的な垂直方向及び回転動作を許容する寸法とされている。
【００２９】
所定の温度及び圧力のヘリウムは空気よりも軽いため、ヘリウムはＥＦＧ円筒体とカラーとの間のカラーの頂部の空隙から逃げ勝ちとなる（また、空気及びヘリウムの乱流及び混合の可能性のため、カラーの開放した底部からヘリウムが僅かに損失し勝ちでもある）。図３に図示するように、カラーの頂部と円筒体との間の空隙は、極めて柔軟で且つ小孔の発泡ゴムＯリング２２をカラーの内端縁に取り付けることにより密封されている。ＥＦＧ管に無視可能な程度の圧力にて接触し、円筒体に亀裂を生じさせ又はその他の損傷を与えるであろう円筒体における全ての力を回避し得るようなリングの寸法とされている。ヘリウムが発泡シールを通って進むのを防止するため、図４に図示するように、Ｏリング内には薄い多孔質又は有孔のプラスチック管２４が埋め込まれている。管２４は適当な導管（図示せず）及び制御弁（同様に図示せず）を介して給水源（図示せず）に接続されている。管２４を介してＯリング内に少量の水が定期的に噴射される。Ｏリング２２の発泡ゴムは多孔質であり且つ管２４を介して噴射された水を吸収する。発泡ゴムを充填する水は、ヘリウムが逃げるのを防止するシールとして機能するメニスカスを円筒体の表面とＯリングとの間に形成する。
【００３０】
カラー内へのＥＦＧ管１０の挿入を容易にする目的のため、プラスチック又はゴムで出来た第二のエラステックで且つ弾性的な管２６をＯリング内に埋め込む。（ａ）シールの内周が拡張し得るようにシールを部分的に排気し又は（ｂ）Ｏリングの内周を収縮させ得るようにシールを空気にて加圧する手段（図示せず）にこのプラスチック管２６が接続されている。シリコン円筒体のカラー内への挿入を可能にし得るように、Ｏリングをその内周におけるその長直径を拡張させつつ、断面にて収縮させ得るように管２６に負圧を作用させる。その後、シリコン円筒体をＯリングにて取り囲んだ状態で、Ｏリングが断面にて拡張し且つその内周の長直径にて収縮し、シリコン円筒体に係合するようにするため、プラスチック管２６を空気又はその他の何らかのガスにて加圧する。このようにして収縮し且つ拡張したときの発泡ゴムＯリングの寸法の変化は比較的僅かであり、拡張時、シリコン管１０の容易な挿入を許容し且つ収縮時、Ｏリングにより行われる十分な密封効果を保証するのにちょうど十分である。また、該カラーは、ガラス又は何らかのその他の透明な材料で出来た側窓部２８も有しており、円筒体１０からウェハを切断するためにこの窓部を通じてレーザービームを通すことができる。
【００３１】
図５には、上記の装置の１つの改変例が図示されている。この場合、ヘリウム又はその他の希ガス又は製造ガスを窓部２８の真上のその頂側部の開口部３０を介して管１８によりカラー内に噴射し、シール２２に対するものと同様の柔軟な発泡ゴムで出来た２つの垂直ワイパー３２を好ましくは、図５に図示するように窓部の両側端縁に直ぐ隣接してビーム衝撃領域の両側部にてカラー内部に配置する。該ワイパー３２は、ヘリウムがカラーの環状体の全体を充填するのを防止し、これによりレーザービームにより切断されるシリコン管の部分の前方の空間を充填するのに必要なヘリウムの量を減少させる働きをする。更なる選択的な措置として、該ワイパーには、管２４と同様の埋め込んだ多孔質のプラスチック管（図示せず）を設け、このプラスチック管は、適当な制御弁（図示せず）を介して給水源（図示せず）に接続され且つワイパーに給水しワイパーを湿潤状態に保ち、これによりヘリウムがワイパーを通って逃げるのを防止する作用を果たすメニスカスをワイパーとシリコン管との間に確立することができる。
【００３２】
図２を再度参照すると、図示した装置はまた、レーザー３４と、中継レンズ３６、３８と、４５゜ミラー４０と、合焦筒形レンズ４２とを更に備えている。この後者の筒形レンズは、互いに９０゜の角度だけ分離された２つの異なる位置の一方から他方までその光軸上にて回転可能に取り付けられている。レンズ４２はレンズ回転機構（図示せず）の命令により回転可能である。ミラー４０はレーザービームを筒形レンズに向け、この筒形レンズはそのビームを例えば約３００μｍ×２５μｍのスポットのような細長い狭小なスポットパターンに変換し且つそのビームをガラス窓部２８を通じてシリコン管１０の外面に合焦させる。ビームを細長い狭小なスポットとして合焦させると、切断速度を速めまた、レーザーエネルギーの密度をより良く制御することが可能となる。上記の構成により、シリコン円筒体１０に矩形又は四角形のパターンにて垂直方向及び水平方向に切断することにより切断が行われ、これにより矩形又は四角形のウェハを製造することができる。
【００３３】
図２の装置を使用して、好ましい切断工程は、最初に、筒形レンズ４２をその２つの異なる位置の第一の位置に配置することを含み、この第一の位置において、該筒型レンズによりレーザー３４からのビームはその長寸法がシリコン管１０の長手方向軸に対して平行に伸びるように方向決めされた狭小な細長いビームスポットを形成する。次に、シリコン管の底端縁にて開始する複数の水平方向に隔たった垂直切断箇所を円筒体１０に切り込み得るようにレーザーを作動させる。この第一の切断動作はシリコン円筒体を３６０゜の角度に亙って断続的に回転させ、垂直切断箇所が円筒体の全周の周りを伸びるようにすることを含む。ビームスポットの長さに依存して、レーザー切断装置の全体を垂直方向に動かして適正な長さの垂直切断を実現することが必要となることがある。これと代替的に、シリコン円筒体を垂直方向に動かすことにより垂直方向切断の長さを長くすることができる。一度び垂直切断方向の全てが為されたならば、筒形レンズはその第二の位置まで９０゜回転させこの第一の位置にて、筒形レンズはレーザービームを合焦させ、その細長いビームスポットのその長寸法が水平方向に伸びる、すなわちシリコン円筒体１０の軸に対して直角に伸びる状態で方向決めされるようにする。この水平方向に方向決めされたレーザービームスポットはウェハを円筒体から分離し得るように円筒体１０を垂直切断箇所の間にて水平方向に縦断させる。このことは、シリコン円筒体を回転させることにより実現可能である。これと代替的に、シリコン円筒体に対して平行に伸びる枢動軸の上でミラー４０を枢動させることによりこれを実現してもよい。ウェハの底端縁はシリコン円筒体の底端縁の部分であるから、水平方向切断を行う方法に関係なく、ウェハを製造するためには１本の水平方向切断箇所があればよい。
【００３４】
上述したように筒形レンズを使用する必要性は、その他のレーザーを使用し且つビームを円形のスポットパターンに合焦させることにより、また、円筒体から切断されるウェハが四角形又は矩形となるような仕方にてシリコン円筒体の表面をレーザーが走査する機械的手段を使用することにより、解消されると考えられる。この適用例の場合、より光パルス反復率を有する、上述したもの以外のレーザーが必要とされよう。
【００３５】
材料を選択したパターンにて切断するためにレーザーを使用するその他の方法及び手段は、以下の米国特許により例示されるように周知である。すなわち、Ａ・ツツミ（Ｔｓｕｔｓｕｍｉ）に対し１９８５年３月５日付けで発行された米国特許第４，５０３，３１３号、Ｈ・クリンゲル（Ｋｌｉｎｇｅｌ）に対し１９８７年６月２３日付けで発行された米国特許第４，６７５，５０１号、Ｆ・サートリオ（Ｓａｒｔｏｒｉｏ）に対し１９８８年３月１日付けで発行された米国特許第４，７２８，７７１号、Ｍ・クロサワ（Ｋｕｒｏｓａｗａ）らに対し１９９５年１０月３１日付けで発行された米国特許第５，４６３，２０２号、Ｋ・サトー（Ｓａｔｏ）らに対し１９９７年９月１６日付けで発行された米国特許第５，６６７，７０７号及び１９９８年３月２６日付けで発行された米国特許第５，７５６，９６１号、Ｈ・バラマン（Ｂａｌａｍａｎｅ）らに対し１９９８年６月２日付けで発行された米国特許第５，７５９，４２８号である。上記の特許の教示内容は参考として引用し本明細書に含めてある。
【００３６】
希ガス又は製造ガス環境内で切断を行う１つの代替的な装置及び方法はガス支援レーザーノズルを使用することを含む。ガス支援ノズルは当該技術分野で周知であり、上記米国特許第４，７２８，７７１号及びＤ・ストラウド（Ｓｔｒｏｕｄ）に対し１９９２年１月２１日付けで発行された米国特許第５，０８３，００６号、Ｇ・ネイドハード（Ｎｅｉｄｈａｒｄｔ）らに対し１９９３年６月１５日付けで発行された米国特許第５，２２０，１４９号により例示されている。
【００３７】
非限定的な一例として、図６には、ガス支援ノズル５０が概略図的に図示されている。該ノズルは、合焦レンズ５４が内部に取り付けられた中央穴又は軸方向穴５２を有している。穴５２は、レーザービームをレーザー（図示せず）から導入するため一端５６にて開放しており、縮小径の排出開口又はオリフィス５８を有し、レーザービームがこのオリフィスを通ってノズルから出る。レンズ５４はレーザービームを合焦させ、その焦点面が排出オリフィス５８に近い位置に排出される切断すべき材料の隣接面にあるようにする。支援ガスをガス供給源２１から噴射するためノズルには１つ又は２つ以上の側ポート６０が設けられている。この場合、支援ガスは上述したように希ガス又は製造ガスである。排出オリフィス５８から流れ出て切断される材料と接触する支援ガスは切断エッジに塵として付着しやすい材料を除去することによりレーザーの切断速度を向上させるのに十分な速度にてノズルから流れ出るようにする流体圧力レベルにて充填される（シリコン管を切断するとき、この塵は、主としてレーザーエネルギーにより発生された溶融し且つ蒸発した状態から再沈着したシリコンから成っている）。塵の層は切断エッジにおけるマイクロクラックを促進させるため、支援ガスにより塵を除去することは、切断速度を向上させるのみならず切断したウェハの強度を向上させることにもなる。ノズルから排出された支援ガス流は切断されるシリコン管の表面に沿って横方向に拡がり、これにより管の隣接する表面部分を包み込む非空気雰囲気を形成する。
【００３８】
本発明をＮｄ：ＹＡＧレーザーに関して説明したが、本発明は、異なる短パルス長のパルスレーザーを使用して実施可能であることも理解すべきである。また、比較的長い長さのパルスを発生させるレーザー、例えば、パルス長さ５００マイクロ秒（μｓ）にて作動するＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用してシリコンをレーザー切断することは、本発明により教示されるように、希ガス又は製造ガスから成る雰囲気内で切断を行うことにより、切断速度は向上させないにしても、ウェハを質の点にて改良が可能であることも説明した。上記の説明にて、パルス反復率が５０Ｈｚ及び１０ｎｓ持続時間並びに平均パワー出力６５ワットにて作動するものとしてＱスイッチしたＮｄ：ＹＡＧレーザーを説明したが、このレーザーは切断される材料及び実現しようとする結果に従って、異なるパルス反復率、パルス持続時間及び平均パワー出力にて作動させることも可能であることを理解すべきである。また、切断すべき材料に合焦されたレーザービームのスポット寸法及び形状は、使用されるレーザーの型式、所望の切断速度、パルス幅、反復率、エネルギー密度、切断される材料の組成及び厚さに従って変更可能である。その他のレーザー及び本発明と共に、円形のビームスポットパターンを使用することが好ましいが、切断速度を最大にする目的のため細長い狭小なスポットパターンとすることが好ましい。好ましくは、このビームスポットパターンは、切断される材料の切断個所の幅がミクロン程度であるような形状であるようにする。非限定的な一例として、シリコンを切断するために短パルスＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用するとき、４０乃至１５０ミクロン範囲の最大幅を有する狭小な細長いビームスポットを使用することが好ましい。
【００３９】
更なる可能な改変例は、その底側部が閉塞するように、すなわちその断面にて、その側部にて９０゜回転させた「Ｕ字形」の形態の側壁により接続された頂部壁及び底部壁から成るようにするため、カラー１６を形成することである。また、異なる構造のレーザーノズルを使用して本発明を実施することも可能であることも理解すべきである。
【００４０】
図２には、例えば、八面体のような多面体の断面の管ではなくて、円筒体に適用される本発明が図示されているが、本発明は、一般に、特に、図２及び図３に図示したカラーではなくて、図６に図示した支援ガスノズルが使用されるならば、単に「八面体」として識別される八面体ＥＦＧ成長シリコン管のような色々な断面形状の管を切断するために使用可能であることも理解すべきである。切断すべきＥＦＧ管が多角形の断面形状を有するならば、切断領域内で適当な希ガス又は製造ガスの雰囲気を提供し得るように同様にカラーを使用することが可能であるが、この場合、カラーの構造を改変し、その内端縁で切断すべき管と緊密に嵌まる得るように合わさる多角形の形状となるようにすることをも理解すべきである。ガス支援ノズルは、ガスが外部雰囲気に損失するため、より多量の製造ガス又は希ガスを消費するから、このガス支援ノズルよりもカラーを使用することのほうが好ましいことを理解すべきである。
【００４１】
また、本発明により提供されるガス状環境は希ガスの混合体又は製造ガスと１つ又は２つ以上の希ガスとの混合体から成るようにすることも考えられる。キセノンは試験しなかったが、このキセノンを使用すれば、ヘリウム、ネオン、アルゴン及びクリプトンにて得られるものと同一の結果の改良が実現されると考えられる。
【００４２】
本発明をシリコンの切断に関して説明したが、選ばれた非空気雰囲気又は環境を使用してレーザーにより弱体な結晶材料を切断する思想はその他の材料を切断するために使用可能であると考えられる。本発明は、中空の管の切断にのみ限定されず、特に、例えば厚さが１００乃至７００μｍの範囲の比較的薄い厚さを有する材料のようなシート又はその他の形態のシリコン又はその他の結晶材料を切断するために使用することができる。同様に、シリコン管を支持するために使用される装置及びレーザー装置の構造は、当該技術分野の当業者に周知又は明らかな手段を使用し得るように改変することが可能である。上記の説明から当該技術分野の当業者には更にその他の改変例が明らかであろう。
【００４３】
本明細書にて使用するように、「レーザービーム」及び「レーザーエネルギービーム」という語は、レーザーエネルギーのパルス流を含むものと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
１Ａは、切断が行われる雰囲気に従ってＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるシリコンの切断速度の変化を比較するグラフ図である。
１Ｂは、切断が行われる雰囲気に従ってＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるシリコンの切断速度の変化を比較するグラフ図である。
１Ｃは、切断が行われる雰囲気に従ってＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるシリコンの切断速度の変化を比較するグラフ図である。
１Ｄは、切断が行われる雰囲気に従ってＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるシリコンの切断速度の変化を比較するグラフ図である。
１Ｅは、切断が行われる雰囲気に従ってＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるシリコンの切断速度の変化を比較するグラフ図である。
１Ｆは、切断が行われる雰囲気に従ってＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるシリコンの切断速度の変化を比較するグラフ図である。
１Ｇは、切断が行われる雰囲気に従ってＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーによるシリコンの切断速度の変化を比較するグラフ図である。
【図２】
本発明を実施するための装置の１つの形態の概略図である。
【図３】
図２の装置の一部分の断面図である。
【図４】
図２の装置の一部を形成するＯリングの断面図である。
【図５】
ガス封入カラーの１つの改変例の平面図である。
【図６】
本発明の１つの代替的な実施の形態の一部を構成するレーザーガス支援ノズルの図である。
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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