JP4388858B2 - シリコンウエハの加工方法 - Google Patents

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。ウエハの断面は、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４つ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、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とからなる。

従来は、角部に面取り又は円弧面を有する多角柱であっても、主側面のみが研磨され、その凹凸が平坦化されていた。ここで、発明者は、面取り又は円弧面が大きくなると、主側面のみの平坦化では、十分にシリコンウエハの割れ率を低下させることが困難であることを見出した。そして、さらに、発明者は、主側面に加えて、面取り又は円弧面に存在する凹凸も平坦化することにより、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。従って、本発明によると、ウエハの割れ率を低下させることができる。

本発明のシリコンウエハの加工方法は、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とからなる。

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、「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。また、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。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、主となる４つの直線の隣合う２直線を円弧の一部または隣合う２直線を直線で結んだ形状であることである。

以下、図１〜５を用いて、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。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、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。また、円弧面の大きさＲも、面取り面と同様に定義される。例えば、Ｒ２０とは、図５中のＲの長さが２０ｍｍであることを意味する。なお、円弧面の円弧の曲率半径は、後述する実施例では、全て、φ１５０ｍｍである。

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。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と両端面からの保持機構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。

以下、平坦化の具体例を示す。以下の具体例において、表面粗さＲｙ（ＪＩＳ Ｂ ０６５１）は、触針式表面粗さ測定器を用いて測定した。

２−１−１．スポンジホイール、ＧＣ砥粒（＃８００）
１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック５を、第１の実施の形態の方法により研磨した。研磨加工部１３としてスポンジホイールを使用し、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８面すべてを３２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。

２−１−２．ナイロン製樹脂ブラシ、ＧＣ砥粒（＃８００）
１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック５を、第１の実施の形態の方法により研磨した。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５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５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５の長さ方向に沿ってシリコンブロック５を相対運動させた。この相対運動は、シリコンブロック５の表面が接触してから一方向の運動とし、シリコンブロック５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８面すべてを２４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。

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。

以下、平坦化の具体例を示す。
２−２−１．スポンジホイール、ダイヤモンド砥粒（＃８００）
１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック５を、第２の実施の形態の方法により研磨した。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を使用し、砥粒を含まない液体１６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８面すべてを２８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。

２−２−２．樹脂ブラシ、ダイヤモンド砥粒（＃３２０）
１２５ｍｍ角で長さ２５０ｍｍのシリコンブロック５を、第２の実施の形態の方法により研磨した。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、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。

ナイロン製樹脂ブラシの先端がシリコンブロック５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５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５の長さ方向に沿ってシリコンブロック５を相対運動させた。この相対運動は、シリコンブロック５の表面が接触してから一方向の運動とし、シリコンブロック５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の量の研磨液を散布した。

その結果、研磨加工面９の８面すべてを８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。

２−２−３．樹脂ブラシ、ダイヤモンド砥粒（＃８００）
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）を用いた。これ以外は２−２−２と同様にした。

その結果、研磨加工面９の８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＝１２μｍは、研磨後にＲｙ＝１μｍにまで平坦化された。

３．表面粗さＲｙ
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平坦化する面に存在する微少な凹凸を平坦化した後の面の表面粗さＲｙは、好ましくは８μｍ以下であり、さらに好ましくは６μｍ以下であり、さらに好ましくは４μｍ以下である。表面粗さＲｙ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。

また、さらに好ましくは、平坦化した後の全ての面の表面粗さＲｙが８μｍ以下であり、さらに好ましくは６μｍ以下であり、さらに好ましくは４μｍ以下である。例えば、４つの面取り又は円弧面を平坦化する場合、そのうちの一部のみが、８μｍ以下（又は６μｍ、４μｍ以下）であっても、本発明による効果は得られるが、４つの面の全てが８μｍ以下（又は６μｍ、４μｍ以下）であると、さらに高い効果が得られる。なお、ここでの表面粗さＲｙ（ＪＩＳ表面粗さＲｙ（ＪＩＳ Ｂ ０６５１））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、角部に面取り又は円弧面を有する正方柱のシリコンブロック（１２５ｍｍ角、長さ２５０ｍｍ）を準備した。面取り面の大きさは、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５、Ｃ１０又はＣ２０である。また、円弧面の大きさは、Ｒ１０又はＲ２０である。Ｃ、Ｒの定義は、上述した通りである（図５参照。）。

次に、上記実施の形態の２−２−２に記載の方法で、シリコンブロックの４面研磨又は８面研磨を行った。但し、使用するダイヤモンド砥粒のサイズは、研磨後の表面粗さＲｙに従って、適宜選択した。研磨後の表面粗さＲｙは、０．１，１，２，４，６，８，１０又は２０μｍとした。また、研磨量（シリコンブロックの端面の減少量）が、概ね１００μｍ以上となるように研磨を行った。

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（４面又は８面研磨、面取り又は円弧面の大きさ、表面粗さＲｙ）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。本実施例では、基準条件は、４面研磨、面取り面Ｃ１、Ｒｙ＝２０μｍとした。

得られた結果を図８及び図９にまとめた。図８及び図９において、横軸はシリコンウエハの表面の表面粗さ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。図８では、４面研磨時でＣ２の場合、Ｒｙ＝６〜８μｍ以下の範囲で１．５倍以上の割れ不良の低減がみられたが、Ｃ５以上になると、４面研磨時だけでは、歩留まり向上効果が小さいことが分かる。図９では、８面研磨時の場合、Ｒｙ＝６〜８μｍ以下の範囲で１．５倍以上の割れ不良の低減がみられた。４面研磨時の場合と違い、コーナー部の大きさがいくつでも、シリコンウエハの側面の表面粗さ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（１.６倍の低減効果）に効果があることが分かる。

さらに、図１０では、シリコンウエハの側面の表面粗さＲｙ＝８μｍの時と、シリコンウエハの側面の表面粗さＲｙ＝２μｍの時の割れ不良低減比を示している。上述した内容が良く分かる結果となっている。さらに、Ｒｙ＝２μｍの時とＲｙ＝８μｍの時を比較する（図１１）と、Ｒｙ＝２μｍのときは、Ｒｙ＝８μｍの時に比較して、割れ不良の低減（１．６倍の低減効果）に効果があることが分かる。

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。 ４面研磨時の表面粗さＲｙと割れ不良低減比のグラフである。 ８面研磨時の表面粗さＲｙと割れ不良低減比のグラフである。 Ｒｙの差による４面研磨時と８面研磨時の割れ不良低減比の比較グラフである。 Ｒｙの差による４面研磨時と８面研磨時の割れ不良低減比の比較グラフである。

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 (7)

1. 角部に面取寸法が５ｍｍ以上の面取り面を有する実質的に直方柱である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主側面及び面取り面に存在する微少な凹凸を研磨加工部により平坦化することからなり、
   前記平坦化は、前記主側面および前記面取り面のうちいずれか１つの面と前記研磨加工部とが対向する状態で研磨することにより行われるシリコンウエハの加工方法。
2. 角部に寸法が１０ｍｍ以上の円弧面を有する実質的に直方柱である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主側面及び円弧面に存在する微少な凹凸を研磨加工部により平坦化することからなり、
   前記シリコンブロックまたはシリコンスタックは、引き上げ法により得られたシリコンインゴットを円筒研削した後、角部に前記シリコンインゴットが有する円弧面が残るように加工したものであり、
   前記シリコンブロックまたはシリコンスタックは、回転機構に接続した保持機構により揺動可能に保持され、
   前記主側面の前記平坦化は、前記主側面と前記研磨加工部とが対向する状態で研磨することにより行われ、
   前記円弧面の前記平坦化は、前記研磨加工部が前記円弧面に沿うように前記シリコンブロックまたはシリコンスタックが揺動する状態で研磨することにより行われるシリコンウエハの加工方法。
3. 前記研磨加工部は、研磨ホイールに設置され、
   前記平坦化は前記研磨ホイールが回転する状態で行われる請求項１または２に記載のシリコンウエハの加工方法。
4. 平坦化が、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請求項１または２に記載のシリコンウエハの加工方法。
5. 平坦化が、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請求項１または２に記載のシリコンウエハの加工方法。
6. 平坦化した後の面の表面粗さＲｙが８μｍ以下である請求項１または２に記載の加工方法。
7. 平坦化した後の全ての面の表面粗さＲｙが８μｍ以下である請求項１または２に記載の加工方法。

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