JP7041931B1

JP7041931B1 - 半導体結晶ウェハの製造方法および製造装置

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Publication number: JP7041931B1
Application number: JP2021205895A
Authority: JP
Inventors: 愼介酒井; 哲也千葉
Original assignee: DRYCHEMICALS CO., LTD.; YUGENKAISHA SUCCESS
Current assignee: DRYCHEMICALS CO., LTD.; YUGENKAISHA SUCCESS
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: JP2023091248A

Abstract

【課題】本発明は、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる半導体結晶ウェハの製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体結晶ウェハであるＳｉＣウェハの製造方法は、円筒形状に研削加工されたＳｉＣインゴットからスライス状に切り出したウェハの表面に高精度研削加工を施したＳｉＣウェハを得る方法であって、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）と、切断研磨工程（ＳＴＥＰ２００／図１）と、第１面加工工程（ＳＴＥＰ３００／図１）と、第２面加工工程（ＳＴＥＰ４００／図１）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状に切り出したウェハの表面に高精度研削加工を施した半導体結晶ウェハの製造方法および製造装置に関するものである。

従来、この種の半導体結晶ウェハであるＳｉＣウェハの製造方法としては、下記特許文献１に示すように、ウェハ形状形成工程として、結晶成長させた単結晶ＳｉＣの塊を円柱状のインゴットに加工するインゴット成形工程と、インゴットの結晶方位を示す目印となるよう、外周の一部に切欠きを形成する結晶方位成形工程と、単結晶ＳｉＣのインゴットをスライスして薄円板状のＳｉＣウェハに加工するスライス工程と、修正モース硬度未満の砥粒を用いてＳｉＣウェハを平坦化する平坦化工程と、刻印を形成する刻印形成工程と、外周部を面取りする面取り工程とを含み、次に、加工変質層除去工程として、先行の工程でＳｉＣウェハに導入された加工変質層を除去する加工変質層除去工程を含み、最後に、鏡面研磨工程として、研磨パッドの機械的な作用とスラリーの化学的な作用を併用して研磨を行う化学機械研磨（ＣＭＰ）工程を含むＳｉＣウェハの製造方法が知られている。

特開２０２０－１５６４６号公報

しかしながら、かかる従来のＳｉＣウェハの製造方法では、製造工程が多く複雑であり、装置構成が複雑となり製造コストが嵩むという問題ある。

一方で、製造工程を簡略化した場合には、ＳｉＣウェハに要求される品質を安定して得ることが困難となる。

そこで、本発明は、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる半導体結晶ウェハの製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

第１発明の半導体結晶ウェハの製造方法は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造方法であって、
前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成する溝加工工程と、
前記溝加工工程において形成された複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断すると共に、該複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させることにより該板状体の側面で切断面を研磨する切断研磨工程と
を備え、
前記切断研磨工程は、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの外側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向外方に進行することを特徴とする。
第２発明の半導体結晶ウェハの製造方法は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造方法であって、
前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成する溝加工工程と、
前記溝加工工程において形成された複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断すると共に、該複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させることにより該板状体の側面で切断面を研磨する切断研磨工程と
を備え、
前記切断研磨工程は、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの内側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向内方に進行することを特徴とする。

第１および第２発明の半導体結晶ウェハの製造方法によれば、溝加工工程において、予め半導体結晶インゴットの側面全体に周回する凹溝を形成しておくことで、凹溝をガイドとしてワイヤーにより半導体結晶インゴットを精度よくスライス状に切断することができる。

ここで、半導体結晶インゴットを周回しながら切断するワイヤーの後方には、その切断面を揺動しながら研磨する板状体を配置し、ワイヤーの進行と共に板状体を進行させることで、切断と同時にその切断面のうねりや筋を磨き上げて除去することができ、いわゆる転写を防止して高品質な半導体結晶ウェハを得ることができ、平坦化工程において一般的に行われている遊離砥石加工、すなわち１次～４次の複数回のラップなど複雑な製造工程を大幅に簡略化することができる。

このように、第１および第２発明の半導体結晶ウェハの製造方法によれば、高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。
半導体結晶ウェハの製造方法

第３発明の半導体結晶ウェハの製造装置は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造装置であって、
側面全体に周回する複数の凹溝が形成された前記半導体結晶インゴットに対して、複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させて切断するワイヤーソー部と、
前記ワイヤーソー部の前記複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させて該板状体の側面で切断面を研磨するバンド部と
を備え、
前記ワイヤーソー部と前記バンド部とは、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの外側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向外方に進行することを特徴とする。
第４発明の半導体結晶ウェハの製造装置は、円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造装置であって、
側面全体に周回する複数の凹溝が形成された前記半導体結晶インゴットに対して、複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させて切断するワイヤーソー部と、
前記ワイヤーソー部の前記複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させて該板状体の側面で切断面を研磨するバンド部と
を備え、
前記ワイヤーソー部と前記バンド部とは、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの内側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向内方に進行することを特徴とする。

第３および第４発明の半導体結晶ウェハの製造装置は、第１発明の半導体結晶ウェハの製造方法を実行する装置であって、具体的にワイヤーと板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、ワイヤーによる切断と板状体による研磨との同時進行を実現することができる。

このように、第３および第４発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、実際に高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

ここで、第１発明の半導体結晶ウェハの製造方法および第３発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、ワイヤーソー部とバンド部とを、半導体結晶インゴットが周回するワイヤーの外側に配置し、ワイヤーおよび板状体を周方向外方に進行させることで、ワイヤーによる高精度の切断と板状体による研磨とを具体的に実現することができる。

このように、第１発明の半導体結晶ウェハの製造方法および第３発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、実際に高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

ここで、第２発明の半導体結晶ウェハの製造方法および第４発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、ワイヤーソー部とバンド部とを、半導体結晶インゴットが周回するワイヤーの内側に配置し、ワイヤーおよび板状体を周方向内方に進行させることで、ワイヤーによる高精度の切断と板状体による研磨とを具体的に実現することができる。

このように、第２発明の半導体結晶ウェハの製造方法および第４発明の半導体結晶ウェハの製造装置によれば、実際に高品質な半導体結晶ウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

本実施形態のＳｉＣウェハ（半導体結晶ウェハ）の製造方法の工程全体を示すフローチャート。図１のＳｉＣウェハの製造方法における溝加工工程の内容を示す説明図。図１のＳｉＣウェハの製造方法における切断研磨工程の内容を示す説明図。図１のＳｉＣウェハの製造方法における第１面加工工程および第２面加工工程の内容を示す説明図。図１のＳｉＣウェハの製造方法における切断研磨工程の変更例を示す説明図。図１のＳｉＣウェハの製造方法における切断研磨工程の他の変更例を示す説明図。

図１に示すように、本実施形態において、半導体結晶ウェハであるＳｉＣウェハの製造方法は、円筒形状に研削加工されたＳｉＣインゴットからスライス状に切り出したウェハの表面に高精度研削加工を施したＳｉＣウェハを得る方法であって、溝加工工程（ＳＴＥＰ１００／図１）と、切断研磨工程（ＳＴＥＰ２００／図１）と、第１面加工工程（ＳＴＥＰ３００／図１）と、第２面加工工程（ＳＴＥＰ４００／図１）とを備える。

図２～図５を参照して各工程の詳細について説明する。

まず、図２に示すＳＴＥＰ１００の溝加工工程では、予め結晶させたＳｉＣ結晶１に対して、インゴット加工工程において、結晶方位を定めて円筒研削加工を施して得られる円筒形状のＳｉＣインゴット１０を準備する。

そして、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程では、かかるＳｉＣインゴット１０に対して、側面全体に周回する複数の凹溝１１を形成する。

具体的に、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程では、複数の凹溝１１に対応した複数の凸部２１が側面全体に形成された溝加工ドラム砥石２０を互いに平行な回転軸上でそれぞれ回転させながらＳｉＣインゴット１０に圧接することにより凹溝１１を形成する。

なお、溝加工工程により得られたＳｉＣインゴット１０（特に凹溝１１）に対して化学処理的手法によりノンダメージの鏡面加工を施すことが望ましい。

次に、図３に示すＳＴＥＰ２００の切断研磨工程では、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程において形成された複数の凹溝１１に、切断加工装置であるワイヤーソー部３０の複数のワイヤー３１を配置し、ワイヤー３１を周回させながら前進させることによりＳｉＣインゴット１０をスライス状に切断すると共に、複数のワイヤー３１の後方位置のそれぞれに配置された、研磨加工装置であるバンド部４０の板状体４１を揺動させながら前進させることにより該板状体４１の側面で切断面を研磨する切断研磨する。

なお、ＳＴＥＰ２００の切断研磨工程を実現する、半導体結晶ウェハ（ＳｉＣウェハ）の製造装置（切断研磨装置）の構成としては、ＳｉＣインゴット１０の両端を固定する固定部材３２に対して、複数のワイヤー３１をワイヤーソーボビン３３を介して周回させながら前進させて切断するワイヤーソー部３０（ワイヤーソー装置）と、切断面を研磨する板状体４１と板状体４１の両端に設けられ該板状体４１を揺動させる揺動機構４２（例えばアクチュエータ装置など）とを有するバンド部４０（バンドソー装置と類似する構成であって切断を目的としない装置）と備える。

ワイヤーソー部３０とバンド部４０とは、固定部材３２に対してスライド自在に構成された（ＳｉＣインゴット１０および固定部材３２は固定されて動かない）、ワイヤーソー部３０を前進させる台座であるフレーム３４，３５と、バンド部４０を前進させる台座であるフレーム４５とを備える。

ここで、ワイヤーソー部３０を前進させる台座であるフレーム３４，３５と、バンド部４０を前進させる台座であるフレーム４５とが一定の間隔を存して連動して移動することにより、ワイヤー３１と板状体４１とが一定の間隔を存して連動して移動する。

例えば、フレーム３５とフレーム４５とを連結することにより、一体として構成することで、これらのフレーム３５，４５とが一定の間隔を存して連動して移動するようにしてもよい。

また、これらのフレーム３５，４５を連結しない場合でも、フレーム３５の移動量（例えば、フレーム３５を変位させるステッピングモータのステップ数）に対応させて、同一の変位となるフレーム４５の移動量（フレーム４５を変位させるステッピングモータのステップ数）を決定して移動させるようにしてもよい。

これにより、ＳＴＥＰ１００の溝加工工程において、予めＳｉＣインゴット１０の側面全体に周回する複数の凹溝１１が形成されているため、複数の凹溝１１をガイドとして複数のワイヤー３１によりＳｉＣインゴット１０を一回的処理で精度よくスライス状に切断することができる。

さらに、ＳｉＣインゴット１０を周回しながら切断する複数のワイヤー３１の後方には、その切断面を揺動しながら研磨する複数の板状体４１が配置され、複数のワイヤー３１の進行と共に複数の板状体４１を進行させることで、切断と同時にその切断面を一回的処理でうねりや筋を磨き上げて除去することができ、表面平滑性の極めて高い高品質なＳｉＣウェハ１００を得ることができ、改めて面取り工程や切断面に一面を基準面とする基準面加工工程などを行う必要もない。

次に、図４に示すように、ＳＴＥＰ３００の第１面加工工程では、切断面のいずれか一方の一面１１０を支持面として、残る他面１２０にメカニカルポリッシュ（高精度研削加工）を施す。ここで、ＳＴＥＰ２００の切断研磨工程により得られたＳｉＣインゴット１０は２つの切断面のいずれもが高い平滑性を有するため、いずれの切断面をも支持面（基準面）とすることができるためである。

具体的には、第１面加工工程では、メカニカルポリッシュを施すメカニカルポリッシュ装置５０（超高合成高精度研削加工装置）により、研削加工を行う。

メカニカルポリッシュ装置５０は、スピンドル５１と、定盤であるプラテン５２上のダイアモンド砥石５３とを備える。

まず、ここで一面１１０を上面として、スピンドル５１の吸着プレートである真空ポーラスチャック５４に吸着させて支持させ、他面１２０を下面として、ダイアモンド砥石５３により他面１２０を研削加工する。

このとき、スピンドル５１およびダイアモンド砥石５３は、図示しない駆動装置により回転駆動されると共に、図示しないコンプレッサーなどによりスピンドル５１がダイアモンド砥石５３に押圧されることにより他面１２０に研削加工が施される。

なお、研削加工後には、ドレッサー等によりダイアモンド砥石５３へのドレッシングが施されてもよい。

また、メカニカルポリッシュ装置５０は、必要に応じて、加工時に複数の機能水を使用可能なように機能水供給配管を有してもよい。

次に、ＳＴＥＰ４００の第２面加工工程では、第１面加工工程により、高精度研削加工が施された他面１２０を上面として、一面１１０に対して、第１面加工工程と同様の高精度研削加工を施す。

すなわち、他面１２０を上面として、スピンドル５１の吸着プレートである真空ポーラスチャック５４に吸着させ、一面１１０を下面として、ダイアモンド砥石５３により一面１１０を研削加工する。

この場合にも、必要に応じて、ドレッサー等をダイアモンド砥石５３に押圧することによりドレッシングが施されてもよい。

かかるＳＴＥＰ３００の第１面加工工程およびＳＴＥＰ４００の第２面加工工程のメカニカルポリッシュ（高精度研削加工）処理によれば、切断研磨工程により得られた高い平坦性を有するトランスファレス切断面のいずれか一方を支持面（吸着面）として、残りの面に順次、メカニカルポリッシュ（高精度研削加工）を施していくことで、いわゆる転写を防止して高品質なＳｉＣウェハを得ることができると共に、従来の遊離砥石加工、すなわち１次～４次の複数回のラップなど複雑な製造工程を大幅に簡略化することができる。

より具体的には、砥石を替えて粗研削や複数回の仕上げ研削を行う必要がなく、例えば、♯３００００以上の砥石により直接１回の研削加工により仕上げまで行うことができるため、簡易であるばかりでなく、ＳｉＣウェハ１００から利用できる真性半導体層を大きく確保するすることができるという優位性がある。

なお、ＳＴＥＰ３００の第１面加工工程およびＳＴＥＰ４００の第２面加工工程の高精度研削加工処理において、ＳｉＣウェハ１００のサイズは、現在８インチまでであり、それぞれの口径のウェハはヘッドの面積に応じて、セットされ、（１２インチまでが可能）高精度研削加工処理が行われる。

以上が本実施形態のＳｉＣウェハの製造方法の詳細である。以上、詳しく説明したように、かかる本実施形態のＳｉＣウェハの製造方法によれば、高品質なＳｉＣウェハを簡易かつ確実に製造することができる。

なお、本実施形態のＳｉＣウェハの製造方法において、上述の一連の処理の後、必要に応じて、化学機械研磨（ＣＭＰ）工程やウェア洗浄工程が行われてもよい。

また、本実施形態は、半導体結晶ウェハの製造方法として、ＳｉＣインゴットからＳｉＣウェハを製造する場合について説明したが、半導体結晶は、ＳｉＣに限定されるものはなく、ガリヒソ、インジュウムリン、シリコン、その他の化合物半導体であってもよい。

また、本実施形態では、図３のように、ワイヤーソー部３０およびバンド部４０とＳｉＣインゴット１０との位置関係が、ＳｉＣインゴット１０が周回するワイヤー３１の内側に配置されて該ワイヤー３１および板状体４１が周方向内方（図中上側）に進行する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、図５に示すように、ワイヤーソー部３０およびバンド部４０とＳｉＣインゴット１０との位置関係は、ＳｉＣインゴット１０が周回するワイヤー３１の外側に配置されてもよい。この場合、ワイヤー３１および板状体４１は、周方向外方（図中下側）に進行して、ＳｉＣインゴット１０を切断研磨する。

また、例えば、図６に示すように、ワイヤーソー部３０およびバンド部４０とＳｉＣインゴット１０との位置関係は、ＳｉＣインゴット１０が周回するワイヤー３１の内側に配置されてもよい。この場合、ワイヤー３１および板状体４１は、周方向内方（図中下側）に進行して、ＳｉＣインゴット１０を切断研磨する。

さらに、本実施形態において、バンド部４０の板状体４１は、複数のワイヤー３１の後方にすべて設ける場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、板状体４１は、１つおきに設けるようにしてもよい。

この場合、切断により得られたＳｉＣウェハ１００は、２つの切断面のうち一方が板状体４１により研磨された基準研磨面であり、他面が板状体４１による研磨がなされていない未研磨面となる。そのため、ＳＴＥＰ３００では、基準研磨面１１０を上面として、スピンドル５１の吸着プレートである真空ポーラスチャック５４に吸着させて支持させ、ワイヤー跡が残る他面１２０を下面として、ダイアモンド砥石５３により他面１２０を研削加工する。これにより、複数の板状体４１の設置数を半減させてバンド部４０の装置構成を簡易にした場合でも、メカニカルポリッシュ装置５０により高品質のＳｉＣウェハ１００を得ることができる。

１…ＳｉＣ結晶（半導体結晶）、１０…ＳｉＣインゴット（半導体結晶インゴット）、１１…凹溝、２０…溝加工ドラム砥石、２１…凸部、３０…ワイヤーソー部、３１…ワイヤー、３２…固定部材、３３…ワイヤーソーボビン、３４，３５…ワイヤーソー部フレーム（台座）、４０…バンド部、４１…板状体、４２…揺動機構、４５…バンド部フレーム（台座）、５０…メカニカルポリッシュ装置（超高合成高精度研削加工装置）、５１…スピンドル、５２…プラテン、５３…ダイアモンド砥石、５４…真空ポーラスチャック（吸着プレート）、１００…ＳｉＣウェハ（半導体結晶ウェハ）、１１０…一面、１２０…他面。

Claims

円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造方法であって、
前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成する溝加工工程と、
前記溝加工工程において形成された複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断すると共に、該複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させることにより該板状体の側面で切断面を研磨する切断研磨工程と
を備え、
前記切断研磨工程は、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの外側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向外方に進行することを特徴とする半導体結晶ウェハの製造方法。
円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造方法であって、
前記半導体結晶インゴットの側面全体に周回する複数の凹溝を形成する溝加工工程と、
前記溝加工工程において形成された複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させることにより前記半導体結晶インゴットをスライス状に切断すると共に、該複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させることにより該板状体の側面で切断面を研磨する切断研磨工程と
を備え、
前記切断研磨工程は、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの内側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向内方に進行することを特徴とする半導体結晶ウェハの製造方法。
円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造装置であって、
側面全体に周回する複数の凹溝が形成された前記半導体結晶インゴットに対して、複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させて切断するワイヤーソー部と、
前記ワイヤーソー部の前記複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させて該板状体の側面で切断面を研磨するバンド部と
を備え、
前記ワイヤーソー部と前記バンド部とは、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの外側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向外方に進行することを特徴とする半導体結晶ウェハの製造装置。
円筒形状に研削加工された半導体結晶インゴットからスライス状にウェハを切り出す半導体結晶ウェハの製造装置であって、
側面全体に周回する複数の凹溝が形成された前記半導体結晶インゴットに対して、複数の凹溝に配置された複数のワイヤーを周回させながら前進させて切断するワイヤーソー部と、
前記ワイヤーソー部の前記複数のワイヤーの後方位置のそれぞれに配置された板状体を揺動させながら前進させて該板状体の側面で切断面を研磨するバンド部と
を備え、
前記ワイヤーソー部と前記バンド部とは、前記ワイヤーと前記板状体とを一定の間隔を存して連動して移動させることにより、該ワイヤーによる切断と該板状体による研磨とが同時に進行すると共に、前記半導体結晶インゴットが周回する前記ワイヤーの内側に配置されて該ワイヤーおよび前記板状体が周方向内方に進行することを特徴とする半導体結晶ウェハの製造装置。