JP2010194677A - ワイヤーソー装置と基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断線が低減されるワイヤーソー装置およびワイヤーの巻きつけ方法を提供すること。
【解決手段】平均直径Dの砥粒が固着したワイヤーと、前記ワイヤーを送り出す供給リールと、前記供給リールから送り出された前記ワイヤーを走行させる複数のメインローラと、
前記複数のメインローラからのびた前記ワイヤーを巻き取る巻取リールと、を備えるワイヤーソー装置において、前記供給リールの一端から他端に向けて巻きつけられる前記ワイヤーの間隔Pが、２．３Ｄ＜Ｐ＜４Ｄの関係を満たし、他端から一端に向けて巻きつけられる前記ワイヤーが、既に巻きつけられた前記ワイヤー間に巻きつけられることを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はワイヤーソー装置と該ワイヤーソー装置を用いた基板の製造方法に関する。

従来、太陽電池素子などをはじめとする半導体基板を作製する場合、インゴットを所定の寸法に切断してブロック状にし、ブロックを接着剤にてスライスベースに接着した後、ワイヤーソー装置などを用いて複数枚に切断して基板を製造していた。

ワイヤーソー装置のワイヤーは、供給リールからガイドローラによってメインローラまで案内されてメインローラに巻きつけられワイヤー列とされている。また、メインローラから伸びるワイヤーは、ガイドローラによって巻取リールまで案内され、巻取リールに巻き取られる。

ワイヤーソーにおけるスライス方法に、初めから砥粒をワイヤーに固着させた砥粒固着ワイヤーで切断する方法（固着砥粒タイプ）がある。例えば、特許文献１には、砥粒固着ワイヤーの平均直径Dと、砥粒固着ワイヤーがリールに巻きつけられる間隔Pとの関係が、Ｄ＜Ｐ＜２Ｄを満たすことが開示されている。

特開２００５−１８６２０２号公報

しかしながら、上述した従来のワイヤーソー装置では、供給リールおよび巻取リールから砥粒固着ワイヤーを供給または巻き取る際に、砥粒固着ワイヤー同士が擦れ合うことにより砥粒固着ワイヤーが損傷する問題がある。特許文献１に記載された構造においても、スライス中に起きるワイヤーの断線を十分に低減することができなかった。このようなワイヤーソー装置を用いて基板を製造した場合、精度よく基板を製造しにくいという問題があった。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであり、砥粒固着ワイヤーの損傷が低減されたワイヤーソー装置、およびワイヤーソー装置を用いた基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係るワイヤーソー装置は、表面に固着された砥粒を含み、平均直径Dのワイヤーと、一端と他端とを有する外周面を含み、前記ワイヤーが前記一端と前記他端との間で往復しながら前記外周面に多層に巻き付けられた供給リールと、前記供給リールからのびた前記ワイヤーを走行させる複数のメインローラと、前記複数のメインローラからのびた前記ワイヤーを巻き取る巻取リールと、を備え、前記ワイヤーは、２．３Ｄより大きく４Ｄ未満の間隔で前記供給リールの一端から他端に向けて巻かれるとともに、前記供給リールの前記他端から前記一端に向けて、既に巻きつけられた前記ワイヤーの間に巻かれていることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る基板の製造方法は、表面に固着された砥粒を含み、平均直径Dのワイヤーと、前記ワイヤーを送り出す供給リールと、一端と他端とを有する外周面を含む巻取リールと、インゴットと、を準備する工程と、前記供給リールから前記ワイヤーを送り出す工程と、前記ワイヤーを前記供給リールと前記巻取リールの間で往復させながら、前記ワイヤーを前記巻取リールの前記一端と前記他端との間で往復させて前記外周面に多層に巻き付ける工程と前記供給リールと前記ワイヤー巻取リールの間の前記ワイヤーにより前記インゴットを切断する工程と、を備え、前記ワイヤーを前記巻取リールに巻き付ける工程において、前記巻取リールの一端から他端に向けて２．３Ｄより大きく４Ｄ未満の間隔で前記ワイヤーを巻き、前記巻取リールの前記他端から前記一端に向けて、前記ワイヤーを既に巻きつけられた前記ワイヤー間に巻くことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係るワイヤーソー装置は、上述した構成により、砥粒固着ワイヤーの断線等の損傷を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る基板の製造方法は、上述した工程により、精度の高い基板を製造することができる。

本発明のワイヤーソー装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明のワイヤーソー装置における、リールに巻きつけられた砥粒固着ワイヤーの一形態を示す断面図である。 本発明のワイヤーソー装置における、リールに巻きつけられた砥粒固着ワイヤーの他の形態を示す断面図である。

本実施形態のワイヤーソー装置は、表面に固着された砥粒を含み、平均直径Dのワイヤー３と、一端と他端とを有する外周面を含み、ワイヤー３が一端と他端との間で往復しながら外周面に多層に巻き付けられた供給リール７と、供給リール７からのびたワイヤー３を走行させる複数のメインローラ５と、複数のメインローラ５からのびたワイヤー３を巻き取る巻取リール８と、を備える。表面に固着された砥粒を含むワイヤー３の平均直径をD、供給リール７の一端から他端に向けて巻きつけられるワイヤー３の間隔P１としたとき、P１とDは、２．３Ｄ＜Ｐ１＜４Ｄの関係を満たし、他端から一端に向けて巻きつけられるワイヤー３は、既に巻きつけられたワイヤー３を乗り越える部分と、ワイヤー３間に巻きつけられた部分を有する。ここで、ワイヤー３の平均直径Dとは、ワイヤー３の任意の１０箇所において３方向から砥粒を含めた直径を測定し、その平均値とする。本実施形態のワイヤーソー装置は、複数のメインローラ５間を走行するワイヤー３に切断対象（ブロック１）を押し当て切断することによって、基板を製造する。

ブロック１は、インゴットの端部を切断することで形成される。このようなインゴットは、例えば、単結晶シリコンや、多結晶シリコンからなる。より具体的には、単結晶シリコンのインゴットが用いられた場合、単結晶シリコンインゴットは円柱形状である。また、多結晶シリコンインゴットは一般的に略直方体で、複数本のシリコンブロックを取り出すことができる大きさを有しており、シリコンブロックは断面形状が矩形（正方形を含む）で、例えば１５６×１５６×３００ｍｍの直方体に形成される。

ブロック１は、カーボン材もしくはガラス、樹脂等の材質からなるスライスベース２上に接着剤などによって接着される。接着剤としては熱硬化型二液性のエポキシ系や、アクリル系・リアクレート系またはワックスなどの接着剤からなり、スライス後、基板１ａをスライスベース２から剥離しやすくするために、温度を上げることで接着力が低下する接着剤が用いられる。そして、スライスベース２に接着されたブロック１はワークホルダー１０により装置内に１本又は複数本配置される。

ワイヤー３は、供給リール７から供給され、巻取リール８に巻き取られる。ワイヤー３は、供給リール７と巻取リール８との間において、複数のメインローラ５に巻かれ、メインローラ５間に複数本に張られている。ワイヤー３は、例えば鉄または鉄合金を主成分とするピアノ線からなり、線径は８０μｍ〜１８０μｍ、より好ましくは１２０μｍ以下である。本実施形態において、ワイヤー３は、ワイヤーの周囲にダイヤモンドもしくは炭化珪素からなる砥粒がニッケルや銅・クロムによるメッキにて固着された砥粒固着ワイヤーである。砥粒の平均粒径は、５μｍ以上３０μｍ以下とした方がよく、Ｄは９０μｍ以上２４０μｍ以下となる。また、ワイヤー３の集中度は、２１００〜３１００とする。ここでいう「集中度」とは、ワイヤー１ｍ当たりに付着している砥粒の数である。本実施形態における集中度は、ワイヤーの３．３ｃｍ毎、計３０箇所において、１．２ｍｍの長さのワイヤーに固着した砥粒の個数を測定した平均値を１ｍあたりに換算した値である。

ワイヤー３には、供給ノズル４の複数の開口部からクーラント液が供給される。クーラント液は、例えばグリコール等の水溶性溶剤からなる。供給ノズル４に供給するクーラント液の供給流量はブロックの大きさや本数によって適宜設定される。また、クーラント液を循環して使用してもよく、その際にクーラント液中に含まれる砥粒や切屑等を除去して使用される。

メインローラ５は、ブロック１の下方に配置される第１メインローラ５ａと第２メインローラ５ｂとを含み、例えば、エステル系やエーテル系・尿素系のウレタンゴムやニューライト等の樹脂からなり、直径１５０〜５００ｍｍ、長さ２００〜１０００ｍｍ程度である。メインローラ５の表面には、供給リール７から供給されたワイヤー３を所定間隔に配列させるための多数の溝が設けられている。この溝の間隔とワイヤー３の直径との関係によって、基板の厚みが定まる。

ワイヤー３の下方には、切断時に発生するブロックの切屑やクーラント液の回収を目的としてディップ槽６が設けられる。

供給リール７および巻取リール８は、スチール等からなるボビン形状の表面に砥粒固着ワイヤー３が巻きつけられている。また、ワイヤーソー装置は、供給リール７および巻取リール８を所定の速度で回転させるためのモーターと、ワイヤー３を所定の位置に巻きつけるために案内するトラバーサを有する。

複数のガイドローラ９は、ワイヤ−３を供給リール７からメインローラ５、またメインローラ５から巻取リール８へと案内する役割を有する。それぞれのガイドローラ９は、ワイヤー３が走行する溝を有する。このようなガイドローラ９は、例えば、エステル系やエーテル系・尿素系のウレタンゴムからなり、特にエーテル系のウレタンゴムを使用することにより、同様の硬度を用いたエステル系よりもガイドローラ９の磨耗を低減することができる。

また、ワイヤーソー装置は、供給リール７および巻取リール８に巻きつけるワイヤー３の張力を調整する手段とワイヤー３に加えられている張力を検出するセンサとを備えている。

ワイヤー３は、２．３Ｄ＜Ｐ１＜４Ｄの関係を満たすように、供給リール７の一端から他端に向けて巻きついている。また、図２に示すように、一端から他端に向けて巻きつけられたワイヤー３ａと、他端から一端に向けて巻きつけられたワイヤー３ｂとは、交互に供給リール７の外表面に配置されており、多層とされている。このような構成により、ブロック１を切断する際のワイヤー３の損傷を低減することができる。なお、ワイヤー３は供給リールの中心軸に対して略垂直（９０度±５度）となるように配置して、リールに巻きつけられる。

以下に、ワイヤーソー装置を用いたスライス方法について説明する。ワイヤー３は供給リール７から供給され、ガイドローラ９によりメインローラ５に案内され、ワイヤー３をメインローラ５に巻きつけて所定間隔に配列している。メインローラ５を所定の回転速度で回転させることによって、ワイヤー３の長手方向にワイヤー３を走行させることができる。そして、高速に走行しているワイヤー３はブロック１を切断し、巻取リール８に巻きつけられる。また、メインローラ１５の回転方向を変化させることによりワイヤー３を往復運動させる。このとき、供給リール７からワイヤー３を供給する長さの方が巻取リール８からワイヤー３を供給する長さよりも長くし、新線をメインローラ５に供給するようにする。

ブロック１の切断は、高速に走行しているワイヤー３に向かってクーラント液を供給しながら、ブロック１を下降させて、ワイヤー３にブロック１を相対的に押圧することによりなされる。ブロック１は、例えば厚さ２００μｍ以下の複数枚の基板１aに分割される。このとき、ワイヤー３の張力、ワイヤー３が走行する速度（走行速度）、ブロックを下降させる速度（フィード速度）は適宜制御されている。例えば、ワイヤー１３の最大走行速度は、５００ｍ／ｍｉｎ以上、１０００ｍ／ｍｉｎ以下に設定され、最大フィード速度は３５０μｍ／ｍｉｎ以上、１１００μｍ／ｍｉｎ以下に設定する。

そして、ブロック１をスライスすると同時に、スライスベース２も２〜５ｍｍ程度切断され、基板１ａはスライスベース２に接着された状態で次工程の洗浄工程に投入される。

洗浄工程では、洗浄液としてアルカリ液または中性液を用い、基板１ａに付着した水溶性クーラントや汚れが洗浄され、その後洗剤を水で洗い流す。そして熱風やエアーなどにより、基板１a表面を完全に乾燥させて、スライスベース２から剥離することで基板１ａが完成する。

巻取リール８の一端から他端に向けて巻きつけられるワイヤー３の間隔P２としたときワイヤー３は、巻取リール８に巻き付けられる工程において、２．３Ｄ＜Ｐ２＜４Ｄの関係を満たすように、巻取リール８の一端から他端に向けて巻かれる。ここで、ワイヤー３が巻取リール８の端から端まで巻きつけられた段階で１回と数えるものとすると、１回目に巻きつけられるワイヤー３ａが他端まで巻きつけられた後、２回目に巻きつけられるワイヤー３ｂは、既に巻きつけられたワイヤー３ａ間に巻取リール８の他端から一端に向けて巻きつけられる。さらに、３回目に巻きつけられるワイヤー３ｃを巻取リール８の一端から他端に向けて、４回目に巻きつけられるワイヤーを巻取リール８の他端から一端に向けて巻きつけ、供給リールの一端と他端の間を往復しながら間隔Ｐ２で多層に巻きつけられる。また、全ての層において同じ間隔Ｐ２で巻きつけてもよく、２．３Ｄ＜Ｐ＜４Ｄの関係を満たす範囲において、各層毎に間隔を変更しても構わない。なお、ワイヤー３は巻取リール８の中心軸に対して略垂直（９０度±５度）となるように配置して、巻取リール８に巻きつけられる。また、ワイヤー３を巻取リール８に巻きつけた後、メインローラ５の回転を逆回転し、ワイヤー３を供給リール７の一端から他端に向けて２．３Ｄより大きく４Ｄ未満の間隔で供給リールに巻きつける工程と、ワイヤー３を、供給リール７の他端から一端に向けて既に供給リール７に巻きつけられたワイヤー３間に巻きつける工程と、によりワイヤー３を往復運動させることで、ワイヤー３は供給リール７においても上記と同様の条件で巻き付ける。

本実施形態のワイヤーソー装置は、２．３Ｄ＜Ｐ２の関係を満たす間隔Ｐでワイヤー３が一端から他端に向けて巻取リール８に巻きつけられ、さらに既に巻きつけられたワイヤー３の間に他端から一端に向けてワイヤー３が巻きつけられることにより、砥粒の粒径のばらつき、ワイヤー３に付着する砥粒の量のばらつき等を有する直径のばらつきの大きいワイヤー３であっても、ワイヤー３を巻取リール８に巻きつける際にワイヤー同士が擦れ合うことを低減することができる。

また、ｎ回目に巻かれたワイヤー３の間にｎ＋１回目に巻かれたワイヤー３が存在することにより、ワイヤー３が巻かれた位置に固定され易く、ワイヤー３の巻き崩れを低減することができる。よって、先に巻かれたワイヤー３が新たに巻いたワイヤー３の上に位置する可能性が低減され、ワイヤー３が断線しにくい。

また、Ｐ２＜４Ｄの関係を満たす間隔Ｐ２でワイヤー３を巻取リール８に巻きつけることにより、ワイヤー３が巻き付けられた巻取リール８の巻き段差は小さく、ワイヤー３が巻かれた巻取リール８の表面は一定の規則正しい凹凸形状を有し、ワイヤー３の巻き崩れを低減することができる。これにより、ワイヤー３の断線の発生を低減することができる。

また、２．３Ｄ＜Ｐ１＜４Ｄの関係を満たす間隔Ｐ１でワイヤー３が一端から他端に向けて供給リール８に巻きつけられ、さらに既に巻きつけられたワイヤー３の間に他端から一端に向けてワイヤー３が巻きつけられることにより、ワイヤー３の断線の発生を低減することができる。

また、供給リール７および巻取リール８に巻きつけるワイヤー３の張力は１５Ｎ以上２０Ｎ以下とすることにより、ワイヤー３を巻きつける際の弛みや巻きつけ後の緩みを低減し、ワイヤーの締め付けによるリール本体の損傷を押さえ、スライス不良を低減することができる。また、ワイヤー３の巻き崩れをさらに低減することができる。

また、ワイヤー３を供給リール７または巻取リール８に巻きつける際に、リールを横向きに置き、ワイヤーを水平方向に往復運動させながら巻きつける構造であってもよいし、リールを縦向きに置き、ワイヤーを鉛直方向に往復運動させながら巻きつける構造であってもよい。特に、リールを縦向きにおいた場合には重力の影響を受け、ワイヤー３の巻き崩れが起き易くなるが、上述の巻きつけ方法により巻き崩れ等の不具合を低減することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることが出来る。

例えば、インゴット１を切断することなく、そのままスライス工程を行っても構わない。

また、３Ｄ＜Ｐ２＜４Ｄの関係を満たすように、ワイヤー３を巻取リール８の一端から他端に向けて巻きつけ（１回目）、他端から一端に向けて巻きつけた（２回目）後、図３に示されるように、３回目に巻きつけられるワイヤー３ｃは、既に巻きつけられた１回目のワイヤー３ａと２回目のワイヤー３ｂとの間に巻取リール８の一端から他端に向けて巻きつけられても構わない。

（実施例１）
以下、実施例について説明する。まず、ガラス板からなるスライスベースにエポキシ系接着剤を塗布し、１５６ｍｍ×１５６ｍｍ×３００ｍｍの直方体の多結晶シリコンブロックをスライスベースに設置し接着剤を硬化させた。２本のスライスベースに接着したシリコンブロックをワイヤーソー装置に設置し、ダイヤモンドの砥粒をＮｉメッキで固着したワイヤー（線径＝１３０μｍ、砥粒粒径＝１５μｍ、平均直径Ｄ＝１６０μｍ）を双方向に走行させながら、スライスベースに接着したブロックをスライスして、平均厚み２００μｍのシリコン基板を作製した。このとき、供給リール７、巻取リール８に巻きつけるワイヤー３の張力が１７．５Nであり、巻取リール８におけるワイヤーの間隔Ｐ２が、０．２μｍ、０．３６μｍ、０．３７μｍ、０．４μｍ、０．５μｍ、０．６μｍ、０．６４μｍ、０．６５μｍ、０．８μｍ、０．９μｍの１０種類において、ワイヤーの断線率を評価した。その結果を表1に表す。

表１に示されるように、Ｎｏ．１〜１０の結果から、砥粒が固着したワイヤー３を供給リールおよび巻取リールに巻きつける間隔Pが、２．３＜Ｐ／Ｄ＜４の関係を満たす（Ｎｏ.３〜６）ことにより、ワイヤーの断線率が１％未満に低減することが確認された。

（実施例２）
次に、巻取リール８のワイヤーの間隔Ｐ２が０．４μｍであり、巻取リール８に巻きつけるワイヤーの張力が１０N、１５N、１７．５N、２０N、２５Nの５種類において、スライスした際におけるスライスの不良率を評価した。不良項目としては、スライス痕の有無、凹凸の有無、うねりの有無であり、このうち１つでも該当するものがあれば不良と判断し、全枚数のうち不良の発生している基板の枚数から不良率を算出する。

Ｎｏ．１１〜１５の結果から、巻取リール８に巻きつけるワイヤーの張力が１５N以上、２０N以下を満たす（Ｎｏ．１２〜１４）ことにより、スライス不良率を１％未満に低減することが確認された。

１ ：ブロック
１ａ ：基板
３ ：ワイヤー
５ ：メインローラ
７ ：供給リール
８ ：巻取リール

Claims (5)

1. 表面に固着された砥粒を含み、平均直径Dのワイヤーと、
   一端と他端とを有する外周面を含み、前記ワイヤーが前記一端と前記他端との間で往復しながら前記外周面に多層に巻き付けられた供給リールと、
   前記供給リールからのびた前記ワイヤーを走行させる複数のメインローラと、
   前記複数のメインローラからのびた前記ワイヤーを巻き取る巻取リールと、を備え、
   前記ワイヤーは、２．３Ｄより大きく４Ｄ未満の間隔で前記供給リールの一端から他端に向けて巻かれるとともに、前記供給リールの前記他端から前記一端に向けて、既に巻きつけられた前記ワイヤーの間に巻かれている部分を有することを特徴とするワイヤーソー装置。
2. 表面に固着された砥粒を含み、平均直径Dのワイヤーと、前記ワイヤーを送り出す供給リールと、一端と他端とを有する外周面を含む巻取リールと、インゴットと、を準備する工程と、
   前記供給リールから前記ワイヤーを送り出す工程と、
   前記ワイヤーを前記供給リールと前記巻取リールの間で往復させながら、前記ワイヤーを前記巻取リールの前記一端と前記他端との間で往復させて前記外周面に多層に巻き付ける工程と
   前記供給リールと前記ワイヤー巻取リールの間の前記ワイヤーにより前記インゴットを切断する工程と、
   を備え、
   前記ワイヤーを前記巻取リールに巻き付ける工程において、前記巻取リールの一端から他端に向けて２．３Ｄより大きく４Ｄ未満の間隔で前記ワイヤーを巻き、前記巻取リールの前記他端から前記一端に向けて、前記ワイヤーを既に巻きつけられた前記ワイヤー間に巻くことを特徴とする基板の製造方法。
3. 前記ワイヤーを、前記供給リールの一端から他端に向けて２．３Ｄより大きく４Ｄ未満の間隔で前記供給リールに巻きつける工程と、前記ワイヤーを、前記供給リールの他端から一端に向けて既に前記供給リールに巻きつけられた前記ワイヤー間に巻きつける工程と、をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
4. 前記巻取リールに巻きつける前記ワイヤーの張力は１５Ｎ以上２０Ｎ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の基板の製造方法。
5. 前記巻取リールをは縦向きに置き、前記ワイヤーを鉛直方向に往復運動させて前記巻取リールに巻きつけることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の基板の製造方法。

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