JP4133935B2

JP4133935B2 - シリコンウエハの加工方法

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Publication number: JP4133935B2
Application number: JP2004168930A
Authority: JP
Inventors: 公彦梶本; 順三涌田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: JP2005347712A; WO2005122225A1

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を切り出し、さらにこの多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。

また、単結晶シリコンブロックで角型のウエハでは、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、次いでバンドソーにより、円断面を４切断して平坦部を作り、寸法出しのためにその面を研削し、さらにこの擬似角型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。ウエハの表面は、四角形にコーナーがＲで形成された形状になる。

このようなシリコンブロックからシリコンウエハを製造する際に、シリコンブロックの側面を研磨することによって、シリコンウエハの割れ率を低下させる方法が知られている（特許文献１参照。）。
２００２−１７６０１４号公報

本発明は、シリコンウエハの割れ率をさらに低下させることができるシリコンウエハの加工方法を提供するものである。

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り、平坦化する面についての、平坦化する前の表面粗さＲｙがＸμｍのとき、その研磨量が、Ｘ×５倍以上である。

従来は、シリコンブロックまたはシリコンスタックの側面を研磨して平坦化し、平坦化した面の表面粗さＲｙを所定値以下にすることにより、シリコンウエハの割れ率を低下させていた。この状況において、発明者は、平坦化する際の研磨量を、平坦化する前の表面粗さＲｙの５倍以上にすることによって、さらにシリコンウエハの割れ率を低下させることができることを見出し、本発明の完成に到った。

割れ率が低下する作用は、次のように説明される。平坦化する前の表面粗さＲｙの５倍よりも浅い領域では、通常の方法で測定される表面粗さＲｙとしては現れない微小なクラックなどが存在しており、このクラックがウエハ割れの原因となる。平坦化する際の研磨量を、平坦化する前の表面粗さＲｙの５倍以上にすると、この微小クラックの多くが除去される。このため、シリコンウエハの割れ率が低下する。
従って、本発明によれば、シリコンウエハの割れ率を低下させることができる。

１．シリコンブロック、シリコンスタック
「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、「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。

シリコンブロックまたはシリコンスタックは、好ましくは、実質的に直方柱であり、さらに好ましくは、実質的に正方柱である。直方柱とは、別の言い方をすると、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度近傍であることである。

また、シリコンブロックまたはシリコンスタックは、角部に面取り又は円弧面を有する多角柱であってもよい。この場合、シリコンブロックまたはシリコンスタックの主側面、及び面取り又は円弧面に存在する微少な凹凸を平坦化する。ここで、「主側面」は、多角柱を構成する側面を意味し、面取り又は円弧面は含まない。「面取り又は円弧面」とは、多角柱の側面の角部に形成される平面又は曲面である。円弧面は、通常、円柱状のシリコンインゴットから断面積の大きい多角柱を切り出すときに、多角柱の角部に形成される。また、面取り面は、例えば、円弧面を平面に研削して得られる。なお、多角柱は、好ましくは、実質的に直方柱であり、さらに好ましくは、実質的に正方柱である。

ここで、図１〜５を用いて、角部に面取り又は円弧面を有する多角柱であるシリコンブロックの切り出しの一例について説明する。

図１に示すような単結晶インゴット１（胴体部長さ１ｍ程度）をバンドソーを用いてトップ部１ａとテール部１ｂ（インゴットの上下にある円錐状の部分）を切断する（図２参照）。その後、バンドソーで胴体部分１ｃを２５０ｍｍの長さに切断する。円筒研削にて胴体部分１ｃの表面のうねりを削り、所定の外径寸法を得る。そして、バンドソー２０やＯＤソーを使用して、図３のように切断し、擬似四角形の角柱ブロック５を製造する。なお、この際、角部に円弧面が残らないように、シリコンブロックを切り出すと、四角形の角柱ブロックが得られる。

図４において、１９はシリコンブロック５の側面、２１はシリコンブロック５の円弧面を示す。このとき、シリコンブロック５は、４つの角部に円弧面２１を有する正方柱である。この円弧面２１を平面に研削することにより、４つの角部に面取り面を有する正方柱が得られる。また、このようにして得られたシリコンブロック５をスライスすることにより、シリコンスタック（シリコンウエハのスタック）６３が得られる。

図５は、上記工程により得られるシリコンブロックまたはシリコンスタックの断面を示す。面取り面２１の大きさＣは、図５のように定義される。例えば、Ｃ２０とは、図５中のＣの長さが２０ｍｍであることを意味する

２．平坦化
２−１．第１の実施形態
第１の実施形態に係る平坦化は、例えば、シリコンブロックまたはシリコンスタックの平坦化する面上に砥粒と媒体との混合物を散布し、前記平坦化する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平坦化する面を機械的に研磨することからなる。

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。

第１の実施の形態について、図６を用いて説明する。ここでは、角部に面取り面又は円弧面を有するシリコンブロックを用いた場合について説明する。

まず、シリコンブロック５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２２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の周辺に砥粒と媒体の混合物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５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。

また、シリコンブロック５は、回転機構６１と両端面よりの保持機構６２により保持されており、特に回転機構は、図４のシリコンブロック５にある４つの面１９を研磨する場合には、９０度ずつ回転してそれぞれの面を研磨し、４つの円弧面２１を研磨する時には、円弧の面に沿って揺動回転させて動かす。また、角部に面取り面が形成されている場合には、面取り面が研磨加工部１３に対向するように回転機構６１を制御する。

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（スラリーの中に存在する）を研磨ホイール４の研磨加工部１３に染み込ませ、砥粒で研磨加工面９を研磨加工する機能、砥粒を散布する媒体（スラリーの中に存在する）でシリコンの切屑や不要になった砥粒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と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。

２−２．第２の実施形態
第２の実施形態に係る平坦化は、シリコンブロックまたはシリコンスタックの平坦化する面上に媒体を散布し、前記平坦化する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平坦化する面を機械的に研磨することからなる。

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。

第２の実施の形態について、図７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５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、上記媒体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５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（図示しない）である。シリコンブロック５の研磨加工面９に散布する研磨液や研磨気体は、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）や研磨加工部より発生するゴミの排出を行う。図７における他の図番は図６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。

３．研磨量
平坦化する面についての、平坦化する前（又はバンドソーなどの機械的手段でシリコンインゴットからシリコンブロックを切り出した後）の表面粗さＲｙがＸμｍのとき、その研磨量をＸ×５倍以上とする。研磨量を５倍以上とすることにより、凹凸を十分に平坦化することができるとともに、表面粗さには反映されないマイクロクラックなども除去することができ、シリコンウエハの割れ率を小さくすることができるからである。また、平坦化する全ての面についての、平坦化する前の表面粗さＲｙがＸμｍのとき、その研磨量が、Ｘ×５倍以上であることが好ましい。平坦化する面の一部について、その研磨量を５倍以上としても、本発明による効果は得られるが、平坦化する全ての面について、その研磨量を５倍以上とするとさらに高い効果が得られるからである。

平坦化する前の表面粗さＲｙは、５〜２０μｍであることが好ましく、１０〜２０μｍであることがさらに好ましい。この範囲の場合に、特に高い効果が得られるからである。

研磨量は、研磨する前後でのシリコンブロックまたはシリコンスタックの幅などの変化から求める。具体的には、マイクロメーターを用いて、一面の研磨前と研磨後の寸法を測定し、その差を研磨量とした。一面内で９点を測定し、測定結果の最小値を代表値とした。また、表面粗さＲｙ（ＪＩＳＢ０６５１）は、触針式表面粗さ測定器を用いて測定する。

以下、本発明の実施例について説明する。

まず、角部にＣ５又はＣ２０の面取り面を有する正方柱のシリコンブロック（１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍ）を準備した。また、シリコンインゴットからシリコンブロックを切り出す際のバンドソーの粗さを適宜調節することにより、４つの主側面と４つの面取り面の初期の表面粗さＲｙを約２０μｍにした。

次に、上記第２の実施の形態の方法で、シリコンブロックの８面（４つの主側面と４つの面取り面）研磨を行った。ここでは、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）を使用した。また、砥粒を含まない液体１６として水が主成分の研磨液を使用した。また、研磨は、研磨量（シリコンブロックの幅の減少量）が、２５、５０、１００又は２００μｍとなるように行った。

このようにして得られ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（図４を参照）、そのシリコンウエハを用いて太陽電池パネルを製造した。シリコンウエハは、各条件（研磨量）について、３千枚ずつ製作した。このとき、各条件について、シリコンウエハの割れ数を数え、割れ不良低減比を求めた。ここで、「割れ不良低減比」とは、基準条件でのシリコンウエハの割れた割合（Ｘ_A）を、目的条件でのシリコンウエハの割れた割合（Ｘ_B）で除した値を意味する。すなわち、「割れ不良低減比」＝Ｘ_A／Ｘ_Bである。割れ不良低減比が大きいほど、目的条件ではシリコンウエハが割れにくいことを意味する。本実施例及び以下の全ての実施例では、基準条件は、８面研磨、面取り面Ｃ５、初期の表面粗さＲｙ＝２０μｍとした。

このようにして得られた研磨量と割れ不良低減比の関係を表１及び表２に示す。表１及び表２は、それぞれＣ５及びＣ２０のシリコンブロックを用いた場合の結果である。また、研磨量と表面粗さＲｙとの関係も合わせて示す。

Ｃ５，Ｒｙ＝２０μｍ

Ｃ２０，Ｒｙ＝２０μｍ

また、研磨量と割れ不良低減比の関係を図８に示す。
表１、２、及び図８によると、表面粗さＲｙは、研磨量が２５μｍに達するまで急速に小さくなり、それ以上研磨しても、あまり変化しないことが分かる。一方、割れ不良低減比は、２５μｍの研磨を行ってもあまり変化しないが、１００μｍの研磨を行うことにより、大きく改善され、それ以上研磨しても、あまり変化しないことが分かる。また、Ｃ５とＣ２０の場合とで、ほぼ同じ結果が得られた。このことは、面取り面の大きさに依存せずに本発明が適用可能であることを示唆している。また、直方柱や正方柱のシリコンブロックを用いた場合でも本発明が適用可能であることを示唆している。

また、このような結果が得られた理由は、次のように説明される。表面粗さＲｙは、通常、ＪＩＳＢ０６５１などに基づいて測定されるが、この方法では表面を走査する際に用いるプローブ先端部の径の大きさ（５μｍ程度）よりも小さなマイクロクラックは、表面粗さＲｙに反映されない。２５μｍの研磨を行うと、プローブが検知できる程度の凹凸は除去されるため、表面粗さＲｙは最終的な値に近づく。しかし、このときプローブが検知できないマイクロクラックが残存しており、このマイクロクラックがウェハ割れの原因となると考えられる。さらに、１００μｍの研磨を行うと、このマイクロクラックも除去されると考えられる。このため、割れ不良低減比が大きく向上する。表面粗さＲｙを小さくすることにより割れ不良低減比を向上させることができることは従来から知られていたが、マイクロクラックを除去することにより、さらに割れ不良低減比を向上させることができることは知られていなかった。そして、本実施例では、初期の表面粗さＲｙ（バンドソーで切り出した後の表面粗さＲｙ）が２０μｍの場合、１００μｍ以上の研磨により、マイクロクラックが除去され、割れ不良低減比が大きく向上することが見出された。

本実施例では、シリコンインゴットからシリコンブロックを切り出す際のバンドソーの粗さを変えて、４つの主側面と４つの面取り面の初期の表面粗さＲｙを約１５μｍにした。その他の条件は、実施例１と同様にして、研磨量と割れ不良低減比の関係を求めた。

このようにして得られた研磨量と割れ不良低減比の関係を表３及び表４に示す。表４及び表５は、それぞれＣ５及びＣ２０のシリコンブロックを用いた場合の結果である。また、研磨量と表面粗さＲｙとの関係も合わせて示す。

Ｃ５，Ｒｙ＝１５μｍ

Ｃ２０，Ｒｙ＝１５μｍ

また、研磨量と割れ不良低減比の関係を図９に示す。
表３、４、及び図９によると、表面粗さＲｙは、研磨量が２５μｍに達するまで急速に小さくなり、それ以上研磨しても、あまり変化しないことが分かる。一方、割れ不良低減比は、２５μｍの研磨を行ってもあまり変化しないが、７５μｍ程度の研磨を行うことにより、大きく改善され、それ以上研磨しても、あまり変化しないことが分かる。また、Ｃ５とＣ２０の場合とで、ほぼ同じ結果が得られた。

また、このような結果が得られた理由は、実施例１の場合と同様に説明することができる。本実施例では、初期の表面粗さＲｙ（バンドソーで切り出した後の表面粗さＲｙ）が１５μｍの場合、７５μｍ以上の研磨により、マイクロクラックが除去され、割れ不良低減比が大きく向上することが見出された。

本実施例では、シリコンインゴットからシリコンブロックを切り出す際のバンドソーの粗さを変えて、４つの主側面と４つの面取り面の初期の表面粗さＲｙを約１０μｍにした。その他の条件は、実施例１と同様にして、研磨量と割れ不良低減比の関係を求めた。

このようにして得られた研磨量と割れ不良低減比の関係を表５及び表６に示す。表５及び表６は、それぞれＣ５及びＣ２０のシリコンブロックを用いた場合の結果である。また、研磨量と表面粗さＲｙとの関係も合わせて示す。

Ｃ５，Ｒｙ＝１０μｍ

Ｃ２０，Ｒｙ＝１０μｍ

また、研磨量と割れ不良低減比の関係を図１０に示す。
表５、６、及び図１０によると、表面粗さＲｙは、研磨量が２５μｍに達するまで急速に小さくなり、それ以上研磨しても、あまり変化しないことが分かる。一方、割れ不良低減比は、２５μｍの研磨を行ってもあまり変化しないが、５０μｍの研磨を行うことにより、大きく改善され、それ以上研磨しても、あまり変化しないことが分かる。また、Ｃ５とＣ２０の場合とで、ほぼ同じ結果が得られた。

また、このような結果が得られた理由は、実施例１の場合と同様に説明することができる。本実施例では、初期の表面粗さＲｙ（バンドソーで切り出した後の表面粗さＲｙ）が１０μｍの場合、５０μｍ以上の研磨により、マイクロクラックが除去され、割れ不良低減比が大きく向上することが見出された。

（考察）
以上の結果をまとめると、初期の表面粗さＲｙの大きさに関わらず、初期の表面粗さＲｙの５倍の研磨を行うことにより、マイクロクラックが除去され、割れ不良低減比が大きく向上することが分かる。この理由は、初期の表面粗さＲｙが大きいときほど、深い位置までマイクロクラックが形成され、これを取り除くために、より多くの研磨を行う必要があるためであると考えられる。

本発明のシリコンインゴットを示す概略図である本発明のシリコンインゴットを示す概略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。シリコンウエハを示す概念図である。シリコンブロックの表面処理方法を示す概念図である。シリコンブロックの表面処理方法を示す概念図である。初期の表面粗さＲｙが２０μｍのときの、研磨量と割れ不良低減比との関係を示すグラフである。初期の表面粗さＲｙが１５μｍのときの、研磨量と割れ不良低減比との関係を示すグラフである。初期の表面粗さＲｙが１０μｍのときの、研磨量と割れ不良低減比との関係を示すグラフである。

符号の説明

１単結晶インゴット
１ａトップ部
１ｂテール部
１ｃ胴体部分
３ノズル
４研磨ホイール
５シリコンブロック
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と縦移動方向
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
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円弧面
２２研磨ホイール回転用モータ
６３シリコンウエハ

Claims

シリコンインゴットからバンドソーによって切り出されたシリコンウエハ製造用のシリコンブロ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り、平坦化する面についての平坦化する前の表面粗さＲｙがＸμｍのとき、その研磨量がＸ×５倍以上であり、
平坦化する前の表面粗さＲｙが１０〜２０μｍであり、平坦化の際の研磨量が２００μｍ以下であるシリコンウエハの加工方法。
平坦化する全ての面についての、平坦化する前の表面粗さＲｙがＸμｍのとき、その研磨量が、Ｘ×５倍以上である請求項１に記載の加工方法。
前記シリコンブロックは、実質的に直方柱である請求項１又は２に記載の加工方法。
前記シリコンブロックは、角部に面取り又は円弧面を有する多角柱であり、前記シリコンブロックの主側面、及び面取り又は円弧面に存在する微少な凹凸を平坦化する請求項１又は２に記載の加工方法。
多角柱は、実質的に直方柱である請求項４に記載の加工方法。
平坦化が、前記シリコンブロックの平坦化する面上に砥粒と媒体との混合物を散布し、前記平坦化する面上に研磨加工部を近接あるいは接触させ、前記シリコンブロ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、前記シリコンブロックの平坦化する面を機械的に研磨することからなる請求項１〜５の何れか１つに記載の加工方法。
平坦化が、前記シリコンブロックの平坦化する面上に媒体を散布し、前記平坦化する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、前記シリコンブロックと研磨加工部とを相対運動させることにより、前記シリコンブロックの平坦化する面を機械的に研磨することからなる請求項１〜５の何れか１つに記載の加工方法。