JP5430294B2 - 基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は例えば半導体基板等の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。当該方法において、クーラント液（加工液）をディップ槽に貯留し、クーラント液の液中にワイヤーを走行させることにより、ワイヤーにクーラント液を供給してブロックを切断する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１８１６８８号公報

しかしながら、従来の方法においては、半導体基板にマイクロクラックが発生し、太陽電池素子の素子工程において割れやクラック等が発生し歩留まりを低下させるおそれがある。

そこで本発明は、マイクロクラックの発生を低減させ、歩留まりを向上させる基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る基板の製造方法は、ブロックと、前記ブロックを切断するワイヤーと、加工液とを準備する工程と、前記ワイヤーにより、前記ブロックの切断を開始する工程と、
前記ブロックの切断された領域の少なくとも一部を前記加工液に浸漬させながら前記ブロックをさらに切断する工程と、を有する基板の製造方法であって、前記ブロックの切断方向において前記ブロックの半分が切断された後、前記ブロックの切断された領域の少なくとも一部を前記加工液に浸漬させる。

本発明によれば、上述した工程により、ワイヤーの断線や切削性等の問題を低減することができる。特に加工液がクーラント液である場合、ブロックの切断領域およびワイヤーを十分に冷却することができる。このため、マイクロクラックの発生を低減させ、太陽電池素子の素子工程における割れやクラック等の発生による歩留まり低下が生じにくい。

本発明に係る基板の製造方法におけるワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は本発明に係る基板の製造方法におけるワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からみた部分断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る基板の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態の基板の製造方法は、ブロックと、このブロックの下部にこれを切断するワイヤーと、このワイヤーの下部にこのワイヤーと接触しない位置まで加工液を有するディップ槽とを準備する工程と、ブロックの下面を走行するワイヤーに向けて進め、ブロックの切断を開始する工程と、ブロックの切断された領域の少なくとも一部を加工液に浸漬させながらブロックを切断する工程と、を有する。

ブロックはインゴットの端部を切断することで加工される。このようなインゴットは、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる。例えば、単結晶シリコンのインゴットを用いる場合、単結晶シリコンインゴットは円柱形状であるため、高さ方向に四箇所の端部を切断することにより、断面形状が略矩形（正方形状を含む）のシリコンブロックを得ることができる。なお、上記断面形状において角部が円弧状を有するものも矩形とみなすこととする。

多結晶シリコンインゴットは例えば略直方体であり、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いる。このような場合、シリコンブロックは断面形状が矩形（正方形状を含む）であり、例えば１５６ｍｍ×１５６ｍｍ×３００ｍｍの直方体に形成される。なお、上記断面形状において角部が面取りされたものも矩形とみなすこととする。

図１に示すように、走行するワイヤー３とスライスベース２に固定された角型のブロック１とを押し当てて、ワイヤー３によってブロック１を切断し、基板を製造する。

ブロック１は、カーボン材、ガラスまたは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、アクリル系もしくはアクリレート系の樹脂、またはワックスなどの接着剤からなり、基板にスライス後、この基板をスライスベース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。なお、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または銅・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。この場合、砥粒の平均粒径は、５μｍ以上３０μｍ以下とした方がよい。

ディップ槽６はブロック１の切断された領域が浸漬される加工液を備える。また、このディップ槽６は、切断時に発生するブロック１の切屑および加工液を回収する目的で設けられる。基板部間は表面張力を受け易いが、ブロック１の切断された領域を加工液に浸漬させることにより、基板間の表面張力の影響が緩和され断線や切削性等の問題を低減することができる。

このような加工液がクーラント液である場合、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り、複数の開口部を有する供給ノズル４の開口部より、複数本のワイヤー３に対して供給される。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とを含む。また、メインローラ５は、例えば、エステル系、エーテル系・尿素系等のウレタンゴム、またはニューライト等の樹脂からなり、直径１５０〜５００ｍｍ、長さ２００〜１０００ｍｍ程度の大きさを有している。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。これら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。

また、別の実施形態として、加工液として砥粒を含む切削液を用いてもよい。このような切削液は、例えば、ワイヤー３のラッピング作用でブロック１を切断する遊離砥粒タイプのワイヤーソー装置を用いることで供給できる。この場合、使用するワイヤー３は、メインローラー５に巻かれており、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、線径は８０μｍ〜１８０μｍ、より好ましくは１２０μｍ以下とする。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、界面活性剤およ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る。また切削液は、複数の開口部を有する供給ノズル４より複数本に張られたワイヤー３に供給される。砥粒の平均粒径としては、例えば５μｍ〜２０μmで粒度分布が狭いものが用いられる。供給ノズル４に供給する切削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、切削液を循環して使用してもよく、その際に新しい砥粒を追加供給するようにしても構わない。

以下に、固着砥粒タイプにおける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。また、メインローラー５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ワイヤー巻取リール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に向かって加工液を供給しながら、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）、および、ブロックを下降させる速度（フィード速度）は、それぞれ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。

なお、遊離砥粒タイプのワイヤーソー装置を用いたスライス方法においては、加工液としてクーラント液の代わりに切削液を用いる。また、ワイヤー３を往復走行させずに一方向走行させてもよい。

本実施形態における基板の製造方法においては、図２に示すように、ブロック１の切断された領域（ワイヤー３が通過した後の領域）の少なくとも一部をディップ槽６に満たした加工液１１に浸漬させながらブロック１を切断する。このとき、ディップ槽６の加工液１１の液面は走行しているワイヤー３と接触しない位置にある。特に、加工液１１の液面とワイヤー３との距離は、３ｃｍ以上、より好ましくは５ｃｍ以上とすることで、ワイヤー３が高速に走行しても、加工液を巻き散らすことなく切断することができる。切断されたブロックの加工部分（以下、基板部という）１ａ同士の間隔は狭いため、毛細血管現象により加工液１１が染み上がり、基板部１ａ間の表面張力の影響が緩和され断線や切削性等の問題を低減することができる。加工液１１がクーラント液である場合、染み上がった加工液１１は、切断領域の閉じられた空間内において高速に走行するワイヤー３に巻き込まれブロック１の切断領域およびワイヤー３を十分に冷却することができる。また、加工液１１の液中にワイヤー３を走行させることがないので、ワイヤー３が加工液の乱流の影響を受けることなく、ワイヤー３がぶれない。このためマイクロクラックの発生を低減することができる。

また、ブロック１がディップ槽６の加工液１１に浸漬した後、適宜供給ノズルから供給される加工液１１の供給量を調整してもよい。特に、加工液１１が切削液の場合、切削性が変化するため一定となるように適宜調整される。

また、切断後得られる基板サイズが１５ｃｍ以上となるブロック１の１／３以上、より好ましくは半分以上の高さが切断された後、ブロック１の切断された領域の少なくとも一部が加工液１１に浸漬するように、ディップ槽６内の加工液１１の高さを調整する。ブロック１の１／３以上、より好ましくは半分以上の高さが切断された後は、基板間が特に表面張力の力を受け易い。基板が薄型化されている場合、基板部１ａ間において表面張力の影響をさらに受け易く、ブロックの切り初め側の端部間は、互いに引き合う力が生じて接触し易い。固着砥粒タイプのワイヤーソー装置においてはこのような接触部分で切断中のワイヤー３に負荷がかかり、ワイヤー３が断線しやすい。また、遊離砥粒タイプのワイヤーソー装置においては、このような接触部分で切削液が排出されにくくなることから、基板部１ａ間に存在する切削液の量が多くなり、切削性が高くなり易い。しかしながら、ブロック１の切り初め側の切断された領域を加工液１１に浸漬させることにより、基板間の表面張力の影響が緩和され断線や切削性等の問題を低減することができる。また、切断開始時から加工液１１に浸漬する場合に比べ、安定して切断を行うことができるため、基板の表面粗さおよびうねりを小さくすることができる。

また、ブロックを加工液に浸漬させる工程において加工液１１の液面の高さを変動させることによって、ブロック１が加工液１１に浸漬する深さを調整でき、また、液面がワイヤー３と接触しないように調整することができる。液面の高さは、加工液１１の供給量と排出量を調整すればよい。また、加工液１１は供給ノズル４へ供給する以外に、別途ディップ槽６への供給口を設けて、この供給口から供給してもよい。

また、ブロック１の１／３以上、より好ましくは半分以上の高さが切断された後にブロック１の切り初め側の端部が加工液に浸漬する高さまで、予めディップ槽６に加工液を満たしておいてもよい。これにより、別途、加工液を調節する機構を設けることなく、表面張力の影響を緩和することができる。

また、ディップ槽６内の加工液１１に超音波を照射するようにしてもよい。これにより、基板部１ａ間の表面張力の影響が緩和され断線や切削性等の問題をさらに低減することができる。

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、ワイヤー３がブロックから引き抜かれる。この際、スライスベース２に接着した状態で基板を取り出すことができる。このとき、ブロック１の少なくとも一部、特にブロック１の切り初め側の端部をディップ槽６内の加工液１１に浸漬しながらブロック１よりワイヤー３を引き抜く。ブロック１を加工液１１に浸漬させることにより、基板間の表面張力の影響が緩和され、ブロック１の切り初め側の端部間が狭くなるのを低減できる。このため、ワイヤー３を引き抜くときに、ワイヤー３に付着した砥粒によって基板を傷つけることを低減できる。

また、特に固着砥粒タイプにおいては、ワイヤー３を引き抜く際にワイヤー３を走行させながら引き抜く。固着砥粒タイプはワイヤー３に直接砥粒が接着して固定されているため、遊離砥粒タイプに比べ基板を傷つけ易いが、ワイヤー３を走行させることでワイヤー３と基板との接触抵抗が小さくなり、砥粒によって基板を傷つけることを低減できる。このとき、ワイヤー３を引き抜くときの走行速度が切断中の走行速度よりも遅くすることによって、さらに基板を傷つけることを低減できる。ワイヤー３の走行速度としては、１０ｍ／ｍｉｎ以上、１００ｍ／ｍｉｎ以下に設定される。また、ワイヤー３を引き抜くときのフィード速度は、１ｍｍ／ｍｉｎ以上、１０ｍｍ／ｍｉｎ以下に設定される。

そして、取り出された基板はスライスベース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、基板に付着した水溶性クーラント、オイルや汚れが洗浄され、その後洗剤を水で洗い流す。そして、熱風またはエアーなどにより、基板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。

このように、上記製造方法で形成された基板は、基板におけるマイクロクラックの発生が低減できていることから、太陽電池素子の素子工程において、割れやクラック等の発生を抑制することができ、高い歩留まりにて太陽電池素子を作製することができる。

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できる。

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。

以下、本発明に係る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た。次に、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。そして、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＝１２０μｍ、砥粒粒径＝１４μｍ、平均直径Ｄ＝１４８μｍ）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、１５６角、平均厚み２００μｍのシリコン基板を作製した。

このとき、ディップ槽に加工液を満たし、ブロックの１／３と、半分の高さが切断された後、初めてブロック１の切断端部が加工液に浸漬する条件１，２と、切断開始時からブロックが加工液に浸漬する条件３（比較例）と、ディップ槽に加工液を満たさずにブロックを切断する条件４（比較例）において、ワイヤーの断線率と、スライスした際におけるスライスの不良率と、基板の４点曲げ試験における破壊強度を評価した。基板の４点曲げ試験は、外部支点間距離を１３０ｍｍ、内部支点間距離を８０ｍｍとし、得られたシリコン基板に対して加重を加えて破壊したときの最大曲げ応力を求める。曲げ強さの計算に関してはＪＩＳ R １６０１（２００８）に準拠した。

スライスの不良率に関する不良項目としては、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した。その結果を表1に表す。

表１に示すように、条件１〜４の結果から、条件１、２において、ワイヤーの断線率、スライスの不良率、および基板の破壊強度のいずれも、比較例である条件３、４に比べて大きく改善した。

１ ：ブロック
１ａ ：基板
３ ：ワイヤー
６ ：ディップ槽
１１ ：加工液（クーラント液または切削液）

Claims (6)

1. ブロック、該ブロックを切断するワイヤー、および加工液を準備する工程と、
   前記ワイヤーにより、前記ブロックの切断を開始する工程と、
   前記ブロックの切断された領域の少なくとも一部を前記加工液に浸漬させながら前記ブロックをさらに切断する工程と、
   を有する基板の製造方法であって、
   前記ブロックの切断方向において前記ブロックの半分が切断された後、前記ブロックの切断された領域の少なくとも一部を前記加工液に浸漬させる基板の製造方法。
2. 前記ブロックを前記加工液に浸漬させる工程において、前記加工液の液面の高さを変動させることを特徴とする請求項１に記載の基板の製造方法。
3. 前記ブロックの切断後、前記ブロックの少なくとも一部を前記加工液に浸漬させながら前記ブロックより前記ワイヤーを引き抜く工程をさらに有する請求項１または２に記載の基板の製造方法。
4. 前記ワイヤーを引き抜く工程は、前記ワイヤーを走行させながら引き抜くことを特徴とする請求項３に記載の基板の製造方法。
5. 前記ワイヤーを引き抜く工程は、前記ワイヤーを引き抜くときの前記ワイヤーの走行速度が、切断中の前記ワイヤーの走行速度よりも遅いことを特徴とする請求項４に記載の基板の製造方法。
6. 前記ブロックの切断途中に、前記ブロックの切断された領域の少なくとも一部を前記加工液に浸漬させることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の基板の製造方法。

Images