JP4829234B2 - 摩擦性を有するワイヤによるソーイング - Google Patents

Description

本発明は、摩擦性を有するワイヤによるソーイング、及び摩擦性を有するワイヤによるソーイング方法に関する。

マルチブレード（ｍｕｌｔｉ−ｂｌａｄｅ）の摩擦性を有するワイヤによるソーイングの技術が数年の間、商業的に使用されている。この工程は、高価で脆い半導体材料又は電気光学的材料の棒材又はブロックから薄板又はウェハをスライスすることが必要なときに使用されている。

標準的な工程においては、１５０〜１８０ミクロンの直径の高張力鋼（真ちゅうのような柔らかい材料の層でコートされていても良く、コートされていなくても良い）が、２００Ｋｍ以上のワイヤを備えることのできる供給リールから持ち上げられ、収集ローラに巻き取られる前に、張力をかけられた状態で一連の４つのモータに駆動されたガイドローラの周りに巻きつけられる。それぞれのワイヤガイドローラの表面は一連の緊密に配置された“Ｖ”字形の溝を有しており、この溝はワイヤの太さと要求されるウェハの厚みとの合計に等しいだけ離間したピッチを設けられている。ローラの長さは、ワイヤが４方向の平面的なはた又はワイヤのウェブを形成しながら４００〜５００回ローラの周りに巻きつけられ得るようにされており、ワイヤはローラの周りを１秒に１０メータ以下の速度で回っている。

このウェブは、パラフィン油又はポリエチレングリコールのような潤滑及び冷却媒体の中に１０ミクロンの炭化珪素粉体のような研磨性の紛体を微細に分散させた懸濁液又はスラリーで浸されている。スライスされる材料は棒状の取り付けプレートの上に糊付けされ、又は固定され、次いで上部及び下部の水平ウェブに押し付けられ、上部及び下部の水平ウェブを通ってゆっくりと下降する。上部及び下部の水平ウェブにおいては、研磨性のスラリーを伴い高速で移動しているワイヤが材料を通過して一連の規則的な薄いスロットを切り出し、正確な厚みを有するとともに良好な表面処理の施されたウェハ又は薄板を生産する。

このような工程を実施するためのワイヤソー装置の２つの例が特許文献１及び２に示されている。

既存の工業的装置においては、ウェブは単一の連続的なワイヤの列の形状であり、ウェブの幅はスライスされる材料の長さより大きい。この配置は、材料全体が、均一かつウェハ又は薄板の生産のための満足できる質であるときには、適切で、費用対効果は高い。しかし、このようなケースは通常ではなく、ある所定の状況では、（化学的、物理的、または電気的特性における欠陥のために）商業的に満足できるウェハを生産する状況に無い材料の領域はソーイングされないことが重要である。これは、材料の５０％までを、後続の再使用のためにとりあえず保持されるであろう回復できない削り屑に変えてしまうからである。

このような状況の一例は、光電池（ＰＶ）産業において使用される多結晶（ｍｕｔｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコンウェハの生産において生じる。この工程では、金属シリコンは溶融され、坩堝の中でゆっくりと冷却され、インゴットが形成される。インゴットは次いで、均一な正方形の断面の一連の大きなブロックに切り出され、これらブロックは次いで、マルチブレードの摩擦性を有するワイヤソーで薄いウェハにスライスされる。

鋳造の方法によって生産することのできるシリコンブロックの高さへの技術的な限界ゆえに、２以上のブロックの端と端とを縦につないで単一の棒材としての取り付けプレート上に固定し、ソーの最大ウェブ幅一杯にすることが産業上実際に行われている。この方法は機械の処理能力の使用を最大化するが、重大な欠点を有することがわかる。

シリコンのインゴットを生産するために商業的に使用される鋳造工程によって、ブロックの底部及び上部の数センチメータに許容できない品質の材料が生産されてしまう。この材料は現在のところ、ブロックを、隣接する端を少し離して、又は時には互いに糊付けして、ガラス製の又はセラミック製の取り付けプレート上に糊付けによって薄切りのために取り付ける前に、ダイアモンド仕上げされた円形状の又はバンド状のソーを使用して除去されている。

この配置は、ウェブが切り出される材料の両端を越えて延在するだけでなく、ブロックが互いに当接し合うまたは糊付けされる中心部分を覆うことを意味している。これらの位置にある一以上のワイヤが、損壊の高い可能性を有する不完全な又は薄いウェハを切り出すことは不可避である。

実際のワイヤソー工程の間に損壊するウェハは、ソーイングの歩留まり全体に強い影響を有する場合がある。損壊したウェハは、スロットのジャミング及びワイヤの損壊を生じる場合があるだけでなく、損壊したウェハのかけらがワイヤローラガイドの表面に運ばれる場合があり、それが精密な溝に損傷を与え、変則なウェハの厚みでの切り出しを行ってしまう。２つの平行したブロックラインを単一のウェブの表面上で同時に切り出すことができる、ＰＶ産業で使用される高処理能力を有するソーイングシステムにおいては、損壊したウェハの破片は下流のブロックへ搬送され、重大なワイヤの損壊を生じてしまう場合がある。
米国特許第５５６４４０９号明細書 米国特許第５６１６０６５号明細書

本発明は、ワイヤのはたの中に調整可能な角度をつけたプーリのセットを導入することによって、単一のウェブを２以上のウェブに分離する、工程の革新的な変型に関する。

溝を切られた２以上のプーリがウェブの中央に導入され、ワイヤが駆動された４つのワイヤローラガイドのうちの１つから出現し、隣り合う２つの後続のローラをバイパスするように取り出され、ワイヤが取り外されたところからずれた位置で４番目のローラの溝に再導入されることが提案されている。結果として、前以て設定された幅の２以上の連続した区画からなるウェブが作製される。溝を切られたプーリのホィールは、直線的及び角度的な移動の両方に対して調節可能とすることができ、正確かつ応力のかからないウェブの分離を確実にしている。

本発明は、少なくとも２つの同様なブロックから複数の薄いウェハを形成するための装置を提供しており、この装置は、ワイヤを供給するための供給リールと、表面に複数の円周状の溝を有し、平行に離間して配置された上部ローラガイドの対と、表面に同様の複数の円周状の溝を有し、平行に離間するとともに、上部ローラガイドの対の軸によって形成される平面に略平行であり、この平面から離間した平面内に上部ローラガイドの対から離間して配置された下部ローラガイドの対と、収集リールと、を備え、供給リールからのワイヤが、供給リールの近傍から収集リールの近傍までローラガイドに沿った連続する溝の回りに巻き付けることができるように構成されており、よってローラガイドの長さに沿った４面の連続的なワイヤのウェブを形成し、供給リールから収集リールへワイヤを迅速に駆動する手段と、及びブロックをワイヤのウェブを通じてローラガイドの対の間でローラガイドの軸に略垂直な方向へ動かす手段を有し、ブロックは移動するワイヤの作用によってウェハに切り出され、この構成の中において、ローラガイドに沿った途中で、ワイヤは少なくとも２つのプーリのホィールの周りに方向を転換され、ワイヤが所定の前以て決められた点でローラガイドを通過した後にワイヤをウェブから取り外し、ワイヤがウェブから離れる点から横方向にずれた点で、後続のローラガイドを介して、ワイヤをウェブの中に再導入し、よって、ワイヤのウェブに隙間が生じ、この隙間はウェブを２つの別々の部分に分割し、この隙間では切断動作が生じ得ない。

ワイヤがローラガイドから取り外される予め決められた点は、ローラガイドの長さ方向に移動可能であることが好ましい。

また、ワイヤがウェブに再合流する前に、横方向に移動される距離を調整する手段があることが好ましい。

また、ウェブからワイヤを取り外すための少なくとも２つのプーリホィールのうちの少なくとも１つはアイドルホィールであることが好ましい。

さらに、ウェブからワイヤを取り外すためのプーリホィールは、ローラの長さに沿う中間に配置されることが好ましい。

また、ウェブの別々の部分のそれぞれの幅は切り出されるブロックよりも小さく、よってソーイングの動作が完了した時点でそれぞれのブロックの少なくとも一端に切り出されていない支持当接部が残っていることが好ましい。

ワイヤは高張力鋼又は高強度の鎖状有機ポリマー製とすることができる。高張力鋼の場合、都合の良いことにブロックにスラリーを適用する手段がある。

本発明は、少なくとも２つの同様なブロックから複数の薄いウェハを形成する方法を含み、表面に複数の円周状の溝部を有するとともに上部及び下部切断平面を形成する２対のローラガイドの周りにワイヤを巻き付けるステップと、ワイヤからなる４面の連続的なウェブの周りにローラガイドの長さに沿ってワイヤを駆動するステップと、ブロックをワイヤのウェブを通してローラガイドの軸に略垂直な方向に移動させるステップと、を備えるとともに、ワイヤを少なくとも２つのプーリのホィールの周りに方向を転換し、ワイヤが前以て決められた点でローラガイドを通過した後に、ワイヤをウェブから取り外し、ワイヤがウェブから離れる点から横方向にずれた点で、後続のローラガイドを介して、ワイヤをウェブの中に再導入する追加的なステップを備え、よって、ワイヤのウェブに隙間が生じ、この隙間がウェブを２つの別々の部分に分割し、この隙間では切断動作が生じ得ない。

従来技術の一例、及び本発明の特定の実施形態が、添付の図面を参照しつつ図示の方法によって記載されている。

半導体材料の薄ウェハの生産が、一般的に図１に示されている。シリコンのインゴット（図１ａに示す）は坩堝の中で鋳込まれ、ゆっくりと冷却され、適切な結晶形態を保有する。インゴットはダイアモンドソーによって均一な断面の一連の大きなブロック（図１ｂに示す）に切り出される。次いでブロックはマルチブレードのワイヤソーを使用して（図１ｃに示す）薄ウェハに切り出される。結果的に生産されたウェハは、光電池産業用の太陽電池を生産するために使用することができる。

従来技術のワイヤソーの一例が図２、３、及び４に示されている。４つのモータ駆動式の、溝を切られたローラガイドが、一方が他方の上に配置された２対の形で配置されている。ローラガイドの２対は垂直方向に離間している。切断ワイヤはローラガイドの周りに非常に薄いピッチで連続的に巻き回され、上部及び下部切断平面を有するウェブを形成している。シリコンの４つのブロック（例えば、図１ｂに示された４つのブロック）は、上部切断平面において切り出されるように配置され、もう４つのブロックが下部切断平面に配置される。この配置にはいくつかの欠点がある。

これらの欠点のいくつかの効果を減じるために、標準的な装置のウェブの全幅より短い複数のブロックを切り出すときに、ウェブのすべてのワイヤに同じ引張り力をかける必要がある。また、最も外側のウェハを支持し、損壊若しくは落下の可能性を削減若しくは除去する必要がある。

本発明に従った装置の特定の形状が図５、６、及び７に示されている。モータ駆動の供給リール１は、直径１００〜２００（好ましくは１５０〜１８０）ミクロン、長さ４５０キロメータの高張力鋼のワイヤを保持している。ワイヤは引っ張りプーリ２ａ上に導かれ、次いで４つのモータで駆動され、非常に薄いピッチで溝を切られたローラガイド３ａ〜３ｄ上へ導かれる。ローラガイド３ａ及び３ｂは上部の対を形成し、ローラガイド３ｃ及び３ｄは下部の対を形成している。ローラガイドの軸は、（軸方向から見たとき）長方形状に配置され、ワイヤは上部及び下部切断平面を有するウェブの中に配置されている。ローラガイドの周りに巻き付けられた後、ワイヤは更なる引っ張りプーリ２ｂの上を通過し、次いでモータで駆動された収集リール４に巻き取られている。ワイヤは秒速１０メータまでのスピードで駆動されており、パラフィン油又はポリエチレングリコールのような潤滑及び冷却媒体の中に１０ミクロンの炭化珪素粉のような研磨性を有する粉体を存在させたスラリーを、一定供給して浸されている。

従来技術の例と同様に、シリコンの４つのブロック８は、上部切断面に切り出されるように配置され、さらに４つのブロックが下部切断面に切り出されるように配置されている。シリコンのブロックのそれぞれの対は、ガラス又はセラミックの取り付けプレート７に糊付けされている。取り付けプレートはモータ駆動の垂直移動機構６に取り付けられている。所定の状況においては、２つのブロックは端と端とを縦につなぐことができる。

しかし、この場合、（従来技術とは反対に）上部及び下部切断ウェブは、ワイヤをブロックの間の切断平面から離れるようにそらすことによって分けられており、ブロックとブロックの間の部分はローラガイドの上部の対から下部の対へ通過する。ワイヤは、ローラガイド３ｂから離れるようにアイドルプーリ５ａ及び５ｂを取り付けられた１対のブラケットによって方向を転じられ、ローラガイド３ｃ及び３ｄの下を通過し、方向を転じられた点から横方向に離間した点でローラガイド３ａに再び合流する。ワイヤの方向転換は、ブロック８の間の空隙に対応する上部及び下部の切断平面でウェブに間隙を形成している。よって、ブロック８の端部は切り出されることが無い。これらの端部は、ソーイング及び後続の取り外しと洗浄との工程の間にウェハのための安定化支持当接部として作用し、クリーニング及びインゴットへの再鋳込みのために取り除かれる。

図５、６、及び７の構造によって、複数のワイヤによるスラリーを使用するソーイング技術を、装置のウェブ幅より短い多結晶シリコンのブロックを切り出すための改善された効率で使用することが可能となっている。

上述した本発明の例は、高張力鋼の使用を参照しているが、本発明の更なる変型は、高強度の長鎖有機ポリマーをベースにした非金属ワイヤの使用を含んでいる。特定の、しかし限定的ではない例は、商品名Ｋｅｖｌａｒ（商標）の下で商業的に製造されているポリ芳香族アミド（ｐｏｌｙａｒｏｍａｔｉｃ ａｍｉｄｅ）である。

この材料は、単一長繊維及び織布の両方の形態で入手可能である。この材料は鋼の５倍の引っ張り強度を有している。これらの特徴によって、より細い直径のワイヤの使用が可能となり、よって同じ大きさのブロックから、より高い歩留まりでウェハを得ることができる。また、この材料は使用されたスラリーの鉄、銅、及び亜鉛粒子による汚染を解決する。これら粒子はスラリーからの貴重なシリコンダストの回収を妨害する。

本発明の利点は以下の如くである
・ ＰＶ産業のためのシリコンウェハを切り出す際に、インゴット全体の高さのブロックの対を取り付けることが可能であり、ウェブが材料の端の外側を通過することなく、それぞれのブロックから高品質の材料すべての部分を切り出すことが可能である。

・ 分離されたウェブは、ブロックが予め決められた品質の材料の特定の部分内だけで薄切りにされることを確実にする。

・ 分離されたウェブは、ウェブの全体が均一な切断荷重をかけられ、よってウェハの厚みのばらつき及びソーマークを生成する、一様でないワイヤの引っ張り状態を回避することを確実にする。

・ それぞれのブロックの薄切りされていない端部片は、完全に再利用することができる。

・ 薄切りされていない端部片は、ソーイングの後に続く洗浄工程の間、ウェハのための安定化端部片として作用する。

・ ウェハの厚みのばらつき、及びソーマークの付いたウェハの数を削減する。

・ ソーイング及び洗浄の間に損壊するウェハの数を削減する。

・ ワイヤの損壊及び損壊したウェハからローラガイドが受ける損害（及び再度溝を切る必要）が大幅に削減され、全体的な歩留まりが大幅に改善される。

・ 複数のワイヤによる摩擦性のソーイング技術を使用して、一以上の材料の区画がウェブの横方向の部分の全体に亘って配置される、単結晶又は多結晶の大きな材料を切り出す場合のソーイングの歩留まりが改善される。

多結晶シリコンのウェハの生産における３つのステージを示す図である。 従来技術の装置の正面図である。 従来技術の装置の平面図である。 従来技術の装置の斜視図である。 本発明による装置の正面図である。 本発明による装置の平面図である。 本発明による装置の斜視図である。

符号の説明

１・・・供給リール
２ａ，２ｂ・・・引っ張りプーリ
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ・・・ローラガイド
４・・・収集リール
５ａ，５ｂ・・・アイドルプーリ
６・・・垂直移動機構
７・・・取り付けプレート
８・・・ブロック

Claims (11)

1. 少なくとも２つの偶数個の同様なブロックから複数の薄いウェハを形成するために、切断ワイヤを使用することのできる装置であって、
   該装置は、前記ワイヤを供給するための供給リールのための設備と、表面に複数の円周状の溝を有する、平行に離間して配置された上部ローラガイドの対と、表面に同様の複数の円周状の溝を有し、平行に離間されるとともに、前記上部ローラガイドの対の軸によって形成される平面に略平行であり、該平面から離間した平面内に前記上部ローラガイドの対から離間して配置された下部ローラガイドの対と、収集リールのための設備と、前記供給リールから前記収集リールへ前記ワイヤを迅速に駆動する手段と、を備え、
   使用の際に、前記供給リールからの前記ワイヤが、前記供給リールの近傍から前記収集リールの近傍まで前記ローラガイドに沿った連続する前記溝の回りに巻き付くように配置され、前記ワイヤは、前記ローラガイドの長さに沿った４面の連続的なワイヤのウェブを形成し、前記ブロックを前記ワイヤのウェブを通じて前記ローラガイドの対の間で前記ローラガイドの軸に略垂直な方向へ動かす手段を有し、よって前記ブロックは移動する前記ワイヤの作用によってウェハに切り出されるように配置されており、
   前記ローラガイドは、該ローラガイドに沿った途中で、前記ワイヤが少なくとも２つのプーリホィールの周りに方向を転換され、前記ワイヤが所定の前以て決められた点で前記ローラガイドを通過した後に前記ワイヤを前記ウェブから取り外し、前記ワイヤが前記ウェブから離れる点から横方向にずれた点で、後続の前記ローラガイドを介して、前記ワイヤを前記ウェブの中に再導入するように配置されており、よって、前記ワイヤのウェブに隙間が生じ、該隙間が、該隙間では切断動作が生じ得ず、よって前記ブロックの少なくとも一方の端部が切り出されないように、前記ウェブを２つの別々の部分に分割することを特徴とする装置。
2. 前記ワイヤが前記ローラガイドから取り外される予め決められた点は、前記ローラガイドの長さ方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ワイヤが前記ウェブに再合流する前に、横方向に移動される距離を調整する手段があることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ウェブから前記ワイヤを取り外すための少なくとも２つの前記プーリホィールのうちの少なくとも１つはアイドルホィールであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ウェブから前記ワイヤを取り外すための前記プーリホィールは、前記ローラの長さに沿う中間に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ウェブの別々の部分のそれぞれの幅は切り出される前記ブロックよりも小さく、よってソーイングの動作が完了した時点でそれぞれの前記ブロックの少なくとも一端に切り出されていない支持当接部が残っていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記供給リール上にあり、前記ローラガイド及び前記プーリのホィール上に延びるように配置され、前記収集リール上に収集されるように配置されているワイヤと組み合わされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記ワイヤは塗膜付きの高張力鋼製であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記ブロックにスラリーを供給する設備があることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記ワイヤは、高強度長鎖有機ポリマー製であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
11. 少なくとも２つの偶数個の同様なブロックから複数の薄いウェハを形成する方法であって、
    表面に複数の円周状の溝部を有するとともに上部及び下部切断平面を形成する２対のローラガイドの周りにワイヤを巻き付けるステップと、
    ワイヤからなる４面の連続的なウェブの周りに前記ローラガイドの長さに沿って前記ワイヤを駆動するステップと、
    前記ブロックを前記ワイヤのウェブを通して前記ローラガイドの軸に略垂直な方向に移動させるステップと、
    を備えるとともに、
    前記ワイヤを少なくとも２つのプーリホィールの周りに方向を転換し、前記ワイヤが前以て決められた点で前記ローラガイドを通過した後に、前記ワイヤを前記ウェブから取り外し、前記ワイヤが前記ウェブから離れる点から横方向にずれた点で、後続の前記ローラガイドを介して、前記ワイヤを前記ウェブの中に再導入する追加的なステップを備え、
    よって、前記ワイヤのウェブに隙間が生じ、該隙間は前記ウェブを２つの別々の部分に分割し、前記隙間では切断動作が生じ得ないことを特徴とする方法。

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