JP2004356657A - シリコンウエハの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間でシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化する研磨技術を提供し、シリコンウエハの割れ不良を低減し、歩留りを改善することを目的とする。
【解決手段】 シリコンウエハ製造用のシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化することからなるシリコンウエハの加工方法により、上記の課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンウエハの加工方法、特にシリコンブロックまたはシリコンスタック側面に存在する微少な凹凸を平坦化する研磨技術に関する。

シリコンウエハの需要は、太陽電池などの普及に伴い年々増加している。特に太陽電池においては、一辺が５インチの四角形型のシリコンウエハを５４枚程度用いて１枚の太陽電池モジュールを製造するため、その使用量はＩＣやＬＳＩなどのシリコンウエハの使用量に比べて膨大である。

このようなシリコンウエハには、多結晶と単結晶があり、次のような方法で製造されている。
多結晶シリコンウエハは、四角形型の多結晶シリコンインゴットを製造し、この多結晶シリコンインゴットからバンドソー２０などを用いて多数の四角形型の多結晶シリコンブロック１を切り出し（図４参照）、さらにこの多結晶シリコンブロック１をスライス加工することにより製造される（図５参照）。図４および図５において、１９はシリコンブロックの側面、２１はシリコンブロックの陵、４６はシリコンウエハを示す。

また、単結晶シリコンウエハは、引き上げ法により得られた円筒形型のシリコンインゴット（通常、長さ１ｍ以上）から適当な寸法（通常、長さ４０〜５０ｃｍ）の円筒形型の単結晶シリコンブロックを切り出し、次いでオリフラと呼ばれる平坦部を研削し、さらにこの単結晶シリコンブロックをスライス加工することにより製造される。

多結晶シリコンブロックおよび単結晶シリコンブロックのいずれを加工する場合においても、シリコンウエハの高い寸法精度が要求される場合には、研削が行われている。具体的には、図６に示すように砥粒を含む円形状の砥石やダイヤモンドホイール（研磨ホイール）４５を高速回転させ、これにシリコンブロック１を押しつけ、相対移動させることにより研削する。図６中、７は一軸ステージ、１１はその移動方向、５は研磨ホイール回転用モータ、６は二軸ステージ、１０はその横移動方向を示す。

従来のシリコンウエハの製造工程において、シリコンブロックまたはシリコンスタックの寸法精度を高める、あるいは表面のうねりをなくすための加工は行われていたが、これらの側面に存在する微小な凹凸の表面粗さを平坦化する加工は行われていなかった。
このようにして得られたシリコンウエハは、さらに側面（端面、外周面ともいう）処理が行われる。
端面処理は、特開平１０−１５４３２１号公報（特許文献１）に記載のガラス基板の加工と同様にシリコンウエハの端面を１枚ずつ所定の形状に研削する方法か、あるいは化学研磨（エッチング）などにより行われる。

太陽電池用のシリコンウエハの場合、ＩＣやＬＳＩのシリコンウエハの使用量に比べて膨大になるので、上記のようにシリコンウエハの端面を１枚ずつ処理していたのでは、膨大な時間と設備、労力を費やすことになり、工業的に供給が需要に追いつかなくなることが予想される。また、エッチング処理では、処理能力の高い廃液処理設備が必要になり、この点においても設備費の問題が発生する。
一方、シリコンウエハの端面処理を行わないと、太陽電池に用いるようなシリコンウエハの場合には、それ以降の工程で割れが発生し、製品の歩留りが低下するという問題があり、効率的な端面処理の方法の開発が望まれていた。

特開平１０−１５４３２１号公報

かくして、本発明によれば、シリコンウエハ製造用のシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化することからなるシリコンウエハの加工方法が提供される。

本発明の方法では、寸法精度を高める、あるいは表面のうねりをなくす程度以上、具体的には、表面粗さＲｙ８μｍ以下（好ましくは６μｍ以下）になるように、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面を平坦化する。

本発明は、短時間でシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化する研磨技術を提供し、シリコンウエハの割れ不良を低減し、歩留りを改善することができる。

本発明は、短時間でシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化する研磨技術を提供し、シリコンウエハの割れ不良を低減し、歩留りを改善することを目的とする。

本発明らは、上記の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸が、シリコンウエハの歩留りに悪影響を与えることを見出し、このような微少な凹凸を、シリコンウエハのスライス加工前に平坦化することにより、効率的にシリコンウエハの割れ不良を低減し、歩留りを改善できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明のシリコンウエハの加工方法は、シリコンウエハ製造用のシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化することからなる。

本発明における「シリコンスタック」とは、シリコンウエハを２枚以上重ねた円柱状、角柱状などのブロックを意味する。また、本発明における「シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面」は、後工程でシリコンウエハを加工したときに、シリコンウエハの外周面を形成する面に相当する。

実施の形態１
シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面上に砥粒と媒体との混合物を散布し、前記側面上に研磨加工部を近接あるいは接触させ、シリコンブロックまたはシリコンスタックと研磨加工部とを砥粒の存在下で相対運動させることにより、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面を機械的に研磨して、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化する。

本発明で用いられる砥粒としては、公知の砥粒、例えばダイヤモンド、ＧＣ（グリーンカーボランダム）、Ｃ（カーボランダム）、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などが挙げられる。
また、本発明で用いられる砥粒を散布するための媒体としては、水、アルカリ溶液、鉱油およびグリコール類（例えば、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール（ＰＧ））のような液体、空気、例えば、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの不活性ガスのような気体が挙げられる。
砥粒と媒体との混合割合は、それぞれ液体１ｋｇに対して砥粒０．５〜１．５ｋｇ程度および気体１リットルに対して砥粒０．０１〜２ｋｇ程度である。

本発明で用いられる研磨加工部としては、例えばスチール、樹脂、布、スポンジなどで形成された部材が挙げられ、より具体的にはスチールブラシ、樹脂ブラシなどが挙げられる。この研磨加工部は、その表面および／または内部に砥粒を有していなくてもよい。

実施の形態１について、図１を用いて説明する。
シリコンブロック１の研磨加工面９に接触するように研磨ホイール４の先端部に研磨加工部１３を設置し、研磨ホイール回転用モータ５により高速回転させる。図中、１２は研磨ホイールの回転方向を示す。そのとき、研磨ホイール４の周辺に砥粒１４と媒体１５の混合物８（「スラリー」または「遊離砥粒」）をノズル３から散布する。また、シリコンブロック１を一軸ステージ７により往復運動させる。図中、１１は一軸ステージの移動方向を示す。このような研磨ホイール４の回転運動と一軸ステージ７の往復運動により、研磨加工面９の全体が研磨され、微少な凹凸が除去される。スラリー８は、砥粒１４を研磨ホイール４の研磨加工部１３に染み込ませ、砥粒１４で研磨加工面９を研磨加工する機能、砥粒を散布する媒体１５でシリコンの切屑や不要になった砥粒１４を排出する機能および研磨加工面９の周辺を冷却する機能を有する。
図中、６は二軸ステージ、１０は二軸ステージの横移動方向、３１は二軸ステージの縦移動方向であり、これらは研磨ホイール４の移動に用いられる。

実施の形態２
シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面上に媒体を散布し、前記側面上に砥粒をその表面および／または内部に有する研磨加工部を近接あるいは接触させ、シリコンブロックまたはシリコンスタックと研磨加工部とを相対運動させることにより、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面を機械的に研磨して、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化する。

本発明で用いられる媒体としては、前記のような液体、気体が挙げられる。この媒体は、砥粒を含んでいなくてもよい。
本発明で用いられる砥粒をその表面および／または内部に有する接触加工部としては、例えば、ダイヤモンド、ＧＣ（グリーンカーボランダム）、Ｃ（カーボランダム）、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などの砥粒をその表面および／または内部に有する、スチール、樹脂、布、スポンジなどで形成された部材が挙げられる。

散布される液体や気体は、スチール、樹脂、布、スポンジの表面および／または内部から脱落した砥粒およびシリコンの切屑などを、シリコンブロックの表面から排除する機能を有する。砥粒を含まない液体や気体を用いる場合、液体や気体のリサイクルが容易にでき、砥粒やシリコンの切屑の分離も容易にできる。

実施の形態２について、図２を用いて説明する。
実施の形態１との違いは、シリコンブロック１の研磨加工面９の表面に接触するように研磨ホイール４の先端部に砥粒をその表面および内部に有する研磨加工部（砥粒付き研磨加工部）１７を設置し、媒体１８からなる研磨液または研磨気体１６を散布することである。つまり、シリコンブロック１の研磨加工面９を研磨するのは、砥粒付き研磨加工部１７の砥粒１４（図示しない）である。シリコンブロック１の研磨加工面９に散布する研磨液や研磨気体１６は、シリコンの切屑の排出、研磨加工面９の冷却や不要になった砥粒（砥粒屑）や研磨加工１３より発生するゴミの排出を行う。図２における他の図番は図１の場合と同じである。

この方法では、切屑や砥粒屑あるいはゴミなどによる研磨加工面の汚染や加工後のゴミなどの付着が抑えられるので、加工品質の低下を防ぐことができる。また、研磨液の場合、切屑やゴミなどの除去がフィルターなどで簡単に行えるので、毎回の加工ごとに液体の交換を行う必要がない。

上記の方法によりシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化した後の表面粗さは、好ましくは８μｍ以下であり、より好ましくは６μｍ以下である。表面粗さが８μｍ以下であれば、得られたシリコンブロックまたはシリコンスタックをスライスしてシリコンウエハを製造し、これを用いて太陽電池パネルを製造した場合に、シリコンウエハの破損が少なくなり、太陽電池パネルの歩留りがより向上するので好ましい。
本発明の方法における研磨は、砥粒と媒体との混合物または媒体のみを散布しつつ行うのが好ましい。

本発明のシリコンウエハの加工方法においては、シリコンブロックおよびシリコンスタックの断面形状、すなわちシリコンウエハの正面形状は、特に限定されないが、主となる４つの直線により構成され、かつ隣接する各々の２直線の角度が９０度近傍であること、つまり対向する２面が平行である矩形または略矩形であることが好ましい。シリコンブロックおよびシリコンスタックが上記のような断面形状であれば、平坦化のための研磨を対向する２面について同時に行うことができ、高速処理が可能となるので好ましい。さらに、シリコンブロックおよびシリコンスタックの断面形状が矩形または略矩形であれば、平坦化の工程において、研磨ホイールとシリコンブロックまたはシリコンスタックとの精確な位置決めを行わなくてよいので、高価な設備が不要となる。

また、シリコンブロックおよびシリコンスタックの断面形状が矩形または略矩形であって、隣接する各々２つの直線が別の線分や円弧などの形状で結ばれていてもよい。つまり、コーナーに大きな面取り、曲線または円弧が存在していてもよい。

本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。

実施例１（シリコンブロックの切り出し）
図４に示すように、バンドソー２０を用いてシリコンインゴットからシリコンブロック１を切り出した。図中、１９はシリコンブロックの側面、２１はシリコンブロックの陵を示す。
このようにして得られたシリコンブロック１の４つの側面１９を本発明の方法で平坦化することにより、これ以降の工程での割れ不良が低減し、歩留りが改善される。

実施例２（実施の形態１）
実施例１で得られた、１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック１を、実施の形態１の方法により研磨して、本発明の効果を確認した。研磨加工部１３としてスポンジホイールおよびスラリー８としてＧＣ砥粒（＃８００）と研磨用オイルとの混合物を使用した。
その結果、研磨加工面９の４面すべてを１６分で研磨することができた。研磨前の研磨加工面の表面粗さ（微少な凹凸）Ｒｙ＝２０μｍは、研磨後にＲｙ＝５．８μｍにまで平坦化された。

実施例３（実施の形態１、樹脂ブラシを使用）
実施例１で得られた、１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック１を、実施の形態１の方法により研磨して、本発明の効果を確認した。研磨加工部１３としてホイール（直径φ２４０ｍｍ）底面のφ１６０〜２４０ｍｍの範囲に、ナイロン製樹脂ブラシ（直径φ０．５ｍｍ、毛足２０ｍｍのナイロン樹脂を、エポキシ系接着剤を用いて隙間なく植毛したもの）を使用した。また、スラリー８としてＧＣ砥粒（＃８００）と研磨用オイルとの混合物（重量比１：１．２８）を使用した。
ナイロン製樹脂ブラシの先端がシリコンブロック１の表面に接触するところを０ｍｍとして、そこからナイロン製樹脂ブラシの先端がシリコンブロック１側に１．５ｍｍ、食い込むように研磨加工部１３を設置し、研磨加工部を毎分１８００回転で回転させた。
研磨加工部１３の回転軸に対して直交するように、シリコンブロック１の長さ方向に沿ってシリコンブロック１を相対運動させた。この相対運動は、シリコンブロック１の端面が接触してから一方向の運動とし、シリコンブロック１を０．６ｍｍ／ｓｅｃの速度で運動させた。
研磨加工部１３の周囲からシリコンブロックの研磨加工面９に向けて、１５０ｌ／ｍｉｎの量のスラリー８を散布した。

その結果、研磨加工面９の４面すべてを１２分で研磨することができた。研磨前の研磨加工面の表面粗さ（微少な凹凸）Ｒｙ＝１２μｍは、研磨後にＲｙ＝２．８μｍにまで平坦化された。割れ不良低減比は２．５倍であった（割れ不良は６０％減少した。すなわち、ウエハの割れによる歩留り低下が５０％減少した。）。

ここで、「割れ不良低減比」とは、基準となる表面粗さＲｙ＝Ａμｍのシリコンウエハを用いて太陽電池パネルを製造した場合のシリコンウエハの割れた割合（Ｘ_A）を、表面粗さＲｙ＝Ｂμｍ（ただし、Ａ＞Ｂ）である場合の割合（Ｘ_B）で除した値を意味する。
（割れ不良低減比）_Ry=B＝（Ｘ_A／Ｘ_B）
例えば、Ｘ₂₀＝１、Ｘ₈＝０．６６の場合には、割れ不良低減比は、次のようにして求められる。
（割れ不良低減比）_Ry=8＝（Ｘ₂₀／Ｘ₈）＝１／０．６６＝１．５２

実施例４（実施の形態２）
実施例１で得られた、１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック１を、実施の形態２の方法により研磨して、本発明の効果を確認した。砥粒付き研磨加工部１７としてダイヤモンド砥粒（＃８００）を有するスポンジホイールおよび砥粒を含まない液体として研磨用オイルを使用した。
その結果、研磨加工面９の４面すべてを１４分で研磨することができた。研磨前の研磨加工面の表面粗さ（微少な凹凸）Ｒｙ＝１２μｍは、研磨後にＲｙ＝５．８μｍにまで平坦化された。

実施例５（実施の形態２、樹脂ブラシを使用）
実施例１で得られた、１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック１を、実施の形態２の方法により研磨して、本発明の効果を確認した。研磨加工部１７としてホイール（直径φ２２０ｍｍ）底面のφ１６０〜２２０ｍｍの範囲に、ダイヤモンド砥粒（＃３２０）を混入したナイロン製樹脂ブラシ（直径φ０．４ｍｍ、毛足１５ｍｍのナイロン樹脂を、エポキシ系接着剤を用いて隙間なく植毛したもの）を使用した。また、シリコンブロック１に散布するスラリー８として実施例３で使用したのと同じものを使用した。
ナイロン製樹脂ブラシの先端がシリコンブロック１の表面に接触するところを０ｍｍとして、そこからナイロン製樹脂ブラシの先端がシリコンブロック１側に１．５ｍｍ、食い込むように研磨加工部１７を設置し、研磨加工部を毎分６００回転で回転させた。
研磨加工部１７の回転軸に対して直交するように、シリコンブロック１の長さ方向に沿ってシリコンブロック１を相対運動させた。この相対運動は、シリコンブロック１の端面が接触してから一方向の運動とし、シリコンブロック１を５ｍｍ／ｓｅｃの速度で運動させた。
研磨加工部１７の周囲からシリコンブロックの研磨加工面９に向けて、１５０ｌ／ｍｉｎの量の研磨液８として水を散布した。

その結果、研磨加工面９の４面すべてを４分で研磨することができた。研磨前の研磨加工面の表面粗さ（微少な凹凸）Ｒｙ＝１２μｍは、研磨後にＲｙ＝５μｍにまで平坦化された。割れ不良低減比は２倍であった（割れ不良は５０％減少した。すなわち、ウエハの割れによる歩留り低下が５０％減少した。）。

実施例６（実施の形態２、樹脂ブラシを使用）
研磨加工部１７としてホイール（直径φ２２０ｍｍ）底面のφ１６０〜２２０ｍｍの範囲に、ダイヤモンド砥粒（＃８００）を混入したナイロン製樹脂ブラシ（直径φ０．４ｍｍ、毛足１５ｍｍのナイロン樹脂を、エポキシ系接着剤を用いて隙間なく植毛したもの）を用いる以外は実施例５と同様にして、実施例５で研磨加工したシリコンブロック１をさらに４分間、研磨して、本発明の効果を確認した。
その結果、実施例５の研磨前の研磨加工面の表面粗さ（微少な凹凸）Ｒｙ＝１２μｍは、研磨後にＲｙ＝１μｍにまで平坦化された。割れ不良低減比は２．５倍であった（割れ不良は６０％減少した。すなわち、ウエハの割れによる歩留り低下が６０％減少した。）。

実施例７（表面粗さと割れ不良低減比）
本発明の方法で研磨加工したシリコンブロックを公知の方法によりスライスしてシリコンウエハを製造し、そのシリコンウエハを用いて太陽電池パネルを製造し、従来の方法で太陽電池パネルを製造した場合を基準とした割れ不良低減比を求めた。割れ不良低減比の基準となる表面粗さＲｙを２０μｍとした。

表面粗さＲｙ＝０．１，１，２，４，６，８，１０，２０μｍのシリコンウエハのサンプルを各々１万枚ずつ製作し、太陽電池モジュールの製造ラインを使い太陽電池モジュールを製造したところ、図４のような結果が得られた。図４において、横軸はシリコンウエハの端面の表面粗さＲｙ（μｍ）であり、縦軸は太陽電池パネルを製造した際の割れ不良低減比（倍）である。
Ｒｙ＝６〜８μｍの範囲で１．５倍以上の割れ不良の低減がみられた。すなわち、シリコンウエハの端面の表面粗さＲｙ＝８μｍ以下のとき、太陽電池パネルを製造した際の割れ不良の低減に効果があることがわかる。

実施例８
図４に示すように、直方体（長さ２５０ｍｍ）の多結晶のシリコンインゴットを、バンドソー２０を用いて切り出し、四角柱（１２５ｍｍ角）のシリコンブロック１を作製した。バンドソーでシリコンブロックを切り出す場合、バンドソーでの寸法精度が十分であれば、シリコンブロックの表面を研削する必要はない。そのシリコンブロック１の陵２１にコーナーカットおよび面取りを施し、シリコンブロックを完成させた。

得られたシリコンブロックを本発明の方法により、シリコンウエハの端面となる表面を機械的に研磨した。次いで、図５に示すように、ワイヤーソー（図示しない）を用いてシリコンブロック１をスライス加工して、約４７０枚のシリコンウエハ４６を製作した。

本発明のシリコンウエハの加工方法を示す概略図である（実施の形態１）。 本発明のシリコンウエハの加工方法を示す概略図である（実施の形態２）。 シリコンウエハの端面となる表面の表面粗さと太陽電池パネルを製造した際の割れ不良低減比との関係を示す図である。 シリコンインゴットからのシリコンブロックの切り出し方法を示す概略図である。 シリコンブロックからのシリコンウエハのスライス加工方法を示す概略図である。 シリコンブロックの研削工程（従来技術）を示す概略図である。

符号の説明

１ シリコンブロック
３ ノズル
４、４５ 研磨ホイール
５ 研磨ホイール回転用モータ
６ 二軸ステージ
７ 一軸ステージ
８ スラリー
９ 研磨加工面
１０ 二軸ステージの横移動方向
１１ 一軸ステージ移動方向
１２ 研磨ホイール回転方向
１３ 研磨加工部
１４ 砥粒
１５、１８ 媒体（気体または液体）
１６ 研磨液または研磨気体
１７ 砥粒付き研磨加工部
１９ シリコンブロックの側面
２０ バンドソー
２１ シリコンブロックの陵
３１ 二軸ステージの縦移動方向
４６ シリコンウエハ

Claims (6)

1. シリコンウエハ製造用のシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面に存在する微少な凹凸を平坦化することからなるシリコンウエハの加工方法。
2. 平坦化が、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面上に砥粒と媒体との混合物を散布し、前記側面上に研磨加工部を近接あるいは接触させ、シリコンブロックまたはシリコンスタックと研磨加工部とを砥粒の存在下で相対運動させることにより、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面を機械的に研磨することからなる請求項１に記載のシリコンウエハの加工方法。
3. 平坦化が、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面上に媒体を散布し、前記側面上に砥粒をその表面および／または内部に有する研磨加工部を近接あるいは接触させ、シリコンブロックまたはシリコンスタックと研磨加工部とを相対運動させることにより、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面を機械的に研磨することからなる請求項１に記載のシリコンウエハの加工方法。
4. 研磨が、砥粒と媒体との混合物または媒体のみを散布しつつ行われる請求項２または３に記載のシリコンウエハの加工方法。
5. 平坦化した後のシリコンブロックまたはシリコンスタックの側面の表面粗さＲｙが８μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載のシリコンウエハの加工方法。
6. シリコンブロックまたはシリコンスタックの断面形状が、主となる４つの直線により構成され、かつ隣接する各々の２直線の角度が９０度近傍である請求項１〜５のいずれか１つに記載のシリコンウエハの加工方法。

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