JP4828935B2

JP4828935B2 - ワイヤーソー装置を用いた切断方法

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Publication number: JP4828935B2
Application number: JP2005373427A
Authority: JP
Inventors: 聡川村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: JP2007175784A

Description

本発明は、被切断部材、特に半導体ブロックを切断するためのワイヤーソー装置を用いた切断方法に関する。

太陽電池は入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、クリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでその実用化が期待されている。これらは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、なかでも現在市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池は更に単結晶型と多結晶型に分類される。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質がよいために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。これに対して多結晶シリコン太陽電池は基板の品質が単結晶シリコン基板に比べて劣るという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。このため多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加しており、より低コストで高い変換効率が求められている。

単結晶シリコン、多結晶シリコン等で太陽電池用半導体基板を形成する場合、例えば、ＣＺ法等によって単結晶シリコンのインゴットを、キャスト法等によって多結晶シリコンのインゴットを形成する。そして、このインゴットをバンドソー装置等を用いて所定の寸法に切断してシリコンブロックを形成し、このシリコンブロックをワイヤーソー装置等を用いて所定の厚みとなるように複数枚に切断してシリコン基板を形成していた。

図１（ａ）、（ｂ）にシリコンブロック等の半導体ブロックから半導体基板を形成する際に用いられるワイヤーソー装置を示す。１は半導体ブロック、２はスライスベース、３はワイヤー、４は供給ノズル、５はメインローラー、６はディップ槽、７はワイヤー供給リール、８は溝部である。図１（ａ）に示すように、スライスベース２と接着した半導体ブロック１をワイヤーソー装置内に設置して、ピアノ線等からなるワイヤー３をワイヤー供給リール７からメインローラー５上に設け、図１（ｂ）に示すように、このメインローラー５上に一定間隔でワイヤー３がはまる多数の溝部８にワイヤー３を引っ掛けて互いに平行に配置させる。その後、ワイヤー３の長手方向にワイヤー３を走行させる。

そして、半導体ブロック１を切断する際には、半導体ブロック１の上方に設置された供給ノズル４から砥粒スラリーと呼ばれるオイルまたは水に炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンドなどの砥粒が混合された切削液を供給するとともに、複数本のメインローラー５間に複数本張られたワイヤー３を高速で移動走行させながら、一本又は複数の半導体ブロック１をワイヤー３に向けて徐々に下降させて半導体ブロック１に押圧することによって半導体ブロック１を切断し、半導体基板を作製していた。（例えば、特許文献１参照）
従来では５００μｍ〜３００μｍ程度の厚みにスライスされていたが、現在、原料コスト削減の観点から、２５０μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下の厚みの半導体基板にスライスされている。
特開平７−１１７０４３号公報

しかしながら、半導体基板の厚みを薄く形成するために、ワイヤー３の径を小さくしたり、メインローラ−５に巻きつけられるワイヤー３の間隔をより小さくする必要があり、特に、ワイヤー３の間隔が小さくなることによって、ワイヤー３にかかる張力を全体において均等に保つことが難しくなる。そして、不均一に張力がかかると、ワイヤー３が振れたり、スライス中心位置が目標の位置から徐々にずれてワイヤー３が蛇行したり、特に径の小さいワイヤー３が用いられるため断線が多発する可能性があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ワイヤーにかかる張力を全体において均等に保つことができるワイヤーソー装置を用いた切断方法を提供することを目的とする。

本発明のワイヤーソー装置は、表面に所定間隔を設けて形成された複数の溝部を有するメインローラーと、前記溝部に巻きつけられ、被切断部材を切断するワイヤーと、を有し、隣接する前記ワイヤー同士の間隔が、前記メインローラーの中央部より端部で大きく設
定されているワイヤーソー装置を用いた切断方法であって、前記端部における隣接する前記ワイヤー同士の間隔が、前記中央部における間隔よりも２倍以上に大きく設定されており、前記被切断部材は、前記端部を除く部位の前記ワイヤーとの押圧により切断されることを特徴とする。

本発明に係るワイヤーソー装置を用いた切断方法によれば、両端部に位置するワイヤーにかかる張力が緩和されるため、ワイヤーにかかる張力が全体において均等に保たれ、ワイヤーの断線を抑制することができるとともに、ワイヤーが振れる、また、スライス中心位置が目標の位置から徐々にずれてワイヤーが蛇行するといった問題点も抑制することができ、被切断部材が半導体ブロックの場合、得られた半導体基板の厚みばらつきＴＴＶ、σを抑えることができ、太陽電池素子のセル化工程における搬送時のトラブルミスや割れ、欠け等の問題を抑制することができる。さらに、均等な厚みを有する半導体基板を得ることができる。

なお、本文中において、厚みばらつきＴＴＶは基板の平坦度を示す尺度の１つで、基板裏面を基準として基板表面の最高点から最低点までの距離を表したものであり、また、厚みばらつきσは、半導体ブロックから得られた半導体基板の厚みの標準偏差である。

また、前記被切断部材は、前記両端部を除く部位の前記ワイヤーとの押圧により切断されることによって、被切断部材は均等な厚みに切断されるため好ましい。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。なお、ここでは、被切断部材として、シリコンブロック等の半導体ブロックを用いた場合について述べることとする。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る半導体基板の製造方法で使用するワイヤーソー装置を示す斜視図である。図中、１は半導体ブロック、２はスライスベース、３はワイヤー、４は供給ノズル、５はメインローラー、６はディップ槽、７はワイヤー供給リール、８は溝部である。

ここで、ワイヤーソー装置の種類としては、大きく分けて二種類のワイヤーソー装置があり、例えば、砥粒を含む切削液を供給することによってワイヤー３のラッピング作用で半導体ブロック１を切断する遊離砥粒タイプのワイヤーソー装置や、ワイヤー３自体に砥粒を固着させて半導体ブロック１を切断する砥粒固着タイプのワイヤーソー装置等がある。

遊離砥粒タイプのワイヤーソー装置にて使用するワイヤー３は、例えば鉄または鉄合金を主成分とするピアノ線を用いればよく、切削液は、例えば炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンド等の砥粒、鉱物油、界面活性剤及び分散剤からなるラッピングオイルを混合して構成され、供給ノズル４より複数本に張られたワイヤー３にムラなく均等に切削液が供給される。

砥粒固着タイプのワイヤーソー装置にて使用するワイヤー３は、例えば鉄又は鉄合金を主成分とするピアノ線にダイヤモンドもしくは炭化珪素で形成された砥粒をニッケルや銅・クロムによるメッキにて固着させるか、もしくはレジン等の樹脂接着剤によって固着させた砥粒固着ワイヤーが用いられる。

なお、ここでは遊離砥粒タイプのワイヤーソー装置を用いて説明を行なう。

半導体ブロック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、装置内に１本又は複数本配置される。

メインローラー５は、例えば、大きさが直径１５０〜５００ｍｍ、長さ２００〜６００ｍｍ程度、材質がウレタンゴム等からなり、図１（ｂ）に示すように、その表面に所定間隔で多数の溝部８が形成され、溝部８にワイヤー３を巻きつけ、ワイヤー３を配列する。この溝部８の間隔とワイヤー３の直径との関係によって、シリコン基板の厚みが定まる。なお、溝部８の間隔については本発明の特徴部分であるため後述で詳しく説明する。

そして、供給ノズル４は、ワイヤー３の上部に設けられ、供給ノズル４より列状に張られたワイヤー３にムラなく均等に切削液が供給される。なお、砥粒固着ワイヤーを用いる場合は、半導体ブロック１とワイヤー３との切断部位、または半導体ブロック全体に冷媒を供給するために用いられてもよい。

そして、ディップ槽６は、切断中のシリコン屑や冷媒の回収の目的や、ディップ槽６に冷媒を満たすことにより半導体ブロック１をディップ槽６に浸漬させながら切断を行なうことも可能である。

次に、ワイヤーソー装置を用いた半導体ブロックの切断方法について説明する。

まず、ワイヤー供給リール７から供給されたワイヤー３をメインローラー５の溝部８に所定間隔で巻きつけ、被切削部材である半導体ブロック１を装置内に設置する。

そして、メインローラー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。ワイヤー３の走行速度は、通常、４００〜１０００ｍ／ｍｉｎ程度となるように高速に走行移動される。このとき、メインローラー５の回転方向を変化させることにより、一方向にワイヤー３を走行させることもできるし、他方向に走行させてワイヤー３を往復運動させることもできる。

その後、供給ノズル４よりワイヤー３に切削液を供給しながら、半導体ブロック１をワイヤー３に相対的に押圧し、この押圧力で半導体ブロック１を切断してシリコン基板を得ることができる。

本発明におけるワイヤーソー装置では隣接するワイヤー３の間隔が、両端部９において大きく設定されていることを特徴としている。このような構造にすることによって、両端部９に位置するワイヤー３にかかる張力が緩和され、ワイヤー３にかかる張力が全体において均等に保たれ、ワイヤー３の断線を抑制することができるとともに、ワイヤー３が振れる、また、スライス中心位置が目標の位置から徐々にずれてワイヤー３が蛇行するといった問題点も抑制することができる。また、本発明のワイヤーソー装置を用いて得られた半導体基板は、厚みばらつきＴＴＶ、σを抑えることができ、太陽電池素子のセル化工程における搬送時のトラブルミスや割れ、欠け等の問題を抑制することができる。

隣接するワイヤー３の間隔を、両端部９において大きく設定するために、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、メインローラー５の両端部９に設けられた溝部８の間隔Ｓを両端部９間の中央部１０に設けられた溝部８の間隔Ｃに比べて大きく設ければよい。

メインローラー５の中央部１０の間隔Ｃは、得ようとする半導体他基板の厚みによって異なるが、３００〜５００ｍｍ程度に形成され、両端部９の間隔Ｓは中央部１０の間隔Ｃよりも２倍以上５倍以下に大きく形成されていることが好ましい。２倍より小さいと両端部９に位置するワイヤー３にかかる張力を緩和する効果が乏しく、また、５倍より大きいとメインローラー５を必要以上に大きくする必要がありコストがかかるため好ましくない。

また、メインローラー５の溝部８の深さとしては１００〜５００μｍ程度のものが用いられる。

さらに、メインローラー５の両端部９の間隔Ｓは、図３に示されるように、中央部１０側に向かうほど、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３となるように段階的に狭くなることが好ましい。このような構造にすることで、ワイヤー３にかかる張力を全体においてより均等に保つことができるため、ワイヤー３の断線を抑制することができるとともに、ワイヤー３が振れる、また、スライス中心位置が目標の位置から徐々にずれてワイヤー３が蛇行するといった問題点も抑制することができる。

両端部９の長さはメインローラー５の全長の２％以上１０％以下であることが好ましい。２％より小さいと両端部９に位置するワイヤー３にかかる張力を緩和する効果が乏しく、１０％より大きいとメインローラー５を必要以上に大きくする必要がありコストがかかるため好ましくない。

なお、ワイヤー３の径は９０〜２００μｍ程度のものが用いられる。特に、１５０μｍ以下の径の小さいワイヤー３を用いると、断線しやすくなるため、本発明の効果はより大きくなる。

また、図４に示されるように、半導体ブロック１（被切断部材）は、両端部９を除く部位（中央部１０）のワイヤー３との押圧により切断されることが好ましい。このように半導体インゴット１とワイヤー３との接触領域１１が中央部１０の範囲に含まれることによって、均等な厚みを有する半導体基板を得ることができる。

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。

例えば、被切断部材１はメインローラー５の両端部９を除く部位（中央部１０）のワイヤー３との押圧により切断される必要はなく、両端部９の領域で切断された被切断部材１の厚みが使用可能の範囲である場合など、両端部のワイヤー３との押圧により被切断部材１が切断されても構わない。

また、メインローラー５の両端部９に設けた溝部８すべてにワイヤー３を巻きつける必要もなく、張力の不均一を改善することができる範囲で巻きつければよい。

さらに、図５に示されるように、メインローラー５の溝部８の間隔を両端部９と中央部１０で必ずしも変更する必要はなく、両端部９の溝部８にワイヤー３を巻きつける際に、隣接の溝部８に巻きつけずに、さらに隣の溝部８に巻きつけてもよい。

また、上記説明では、ワイヤーソー装置に設置する被切断部材１の本数を一本として説明したが、複数本設置して切断しても構わない。

まず、被切断部材１として１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×３００ｍｍのシリコンブロック１を準備し、スライスベース２に接着する。そして、スライスベース２に接着したシリコンブロック１を、図１に示されるワイヤーソー装置に２本セットした。

次に、直径４００ｍｍ、長さ５００ｍｍ程度のメインローラー５の中央部１０の溝部８の間隔Ｃを４００μｍとし、両端部９の溝部８の間隔Ｓを６００μｍから２４００μｍに変化させたメインローラー５を準備した。また、比較例として、中央部８と両端部９の溝部８の間隔が同じメインローラー５を準備した。なお、両端部９の長さはメインローラー５の全長の５％とした。

そして、メインローラー５の溝部８にワイヤー３を巻きつけ、シリコンブロック１の側上部に設けた供給ノズル４よりワイヤー３にムラなく均等に砥粒が炭化珪素からなる切削液を供給し、高速運動しているワイヤー３にシリコンブロック１を押圧し切断した。なお、シリコンブロックは、両端部９を除く部位（中央部１０）のワイヤー３との押圧により切断される。

そして、シリコンブロック１の切断後、得られたシリコン基板１枚の厚みばらつきＴＴＶ、および半導体基板全数の厚みのばらつきσについて測定を行なった。

表１および図６より、両端部９と中央部１０の溝部８の間隔が同じメインローラー５を用いて作製した試料１ではＴＴＶが３６μｍ、σが１６．４μｍであったのに比べて、両端部９の溝部８の間隔Ｓを中央部１０の溝部８の間隔Ｃよりも大きいメインローラー５を用いて作製した試料２〜７の方が試料１よりもＴＴＶ、σの値が低くなり、良好な結果が得られた。また、間隔Ｓが間隔Ｃの２倍以上となる試料３〜７においては、ＴＴＶが２５μｍ以下、σが１０μｍ以下とさらに良好な結果が得られた。

（ａ）は一般的な被切断部材を切断するワイヤーソー装置を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の部分Ａの部分拡大図である。（ａ）は本発明のワイヤーソー装置に用いられるメインローラーを示す概略図であり、（ｂ）は（ａ）の部分Ｂの部分拡大図である。（ａ）は本発明のワイヤーソー装置に用いられる他のメインローラーを示す概略図であり、（ｂ）は（ａ）の部分Ｃの部分拡大図である。本発明のワイヤーソー装置における被切断部材とワイヤーとの接触領域を示す分布図である。本発明のワイヤーソー装置の変形例を示す部分拡大図である。本発明の実施例の結果を示す図である。

符号の説明

１：半導体ブロック（被切断部材）
２：スライスベース
３：ワイヤー
４：供給ノズル
５：メインローラー
６：ディップ槽
７：ワイヤー供給リール
８：溝部
９：端部
１０：中央部
１１：接触領域
Ｃ：中央部の溝部の間隔
Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）：端部の溝部の間隔

Claims

表面に所定間隔を設けて形成された複数の溝部を有するメインローラーと、
前記溝部に巻きつけられ、被切断部材を切断するワイヤーと、を有し、
隣接する前記ワイヤー同士の間隔が、前記メインローラーの中央部より端部で大きく設定されているワイヤーソー装置を用いた切断方法であって、
前記端部における隣接する前記ワイヤー同士の間隔が、前記中央部における間隔よりも２倍以上に大きく設定されており、
前記被切断部材は、前記端部を除く部位の前記ワイヤーとの押圧により切断されることを特徴とするワイヤーソー装置を用いた切断方法。
前記メインローラーの前記複数の溝部に巻かれた前記ワイヤーが1本であることを特徴と
する請求項１に記載のワイヤーソー装置を用いた切断方法。
前記メインローラーの前記複数の溝部の深さは略同一であり、前記端部に設けられた前記複数の溝部同士の間隔が、前記中央部に設けられた前記複数の溝部同士の間隔より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤーソー装置を用いた切断方法。
前記メインローラーの前記端部に設けられた前記複数の溝部同士の間隔は、前記端部から前記中央部に向って小さくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤーソー装置を用いた切断方法。
前記メインローラーの前記中央部および前記端部の前記複数の溝部同士の間隔は略同一であり、前記ワイヤーが、前記端部の前記複数の溝部のうち、一部の前記溝部に巻かれていることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤーソー装置を用いた切断方法。