JP5460226B2 - ワイヤーソー装置およびこれを用いた半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体材料等からなる被加工物に対し、ワイヤーを用いて切断等の加工が可能なワイヤーソー装置およびこれを用いた半導体基板の製造方法に関する。

例えば太陽電池素子などの半導体基板を作製する場合、まず、インゴットを所定の寸法に切断してブロックにする。そして、このブロックを接着剤にてスライス台に接着した後、ワイヤーソー装置などを用いて複数枚に切断して半導体基板を得る。

ワイヤーソー装置によるスライス方法には、砥粒を含む切削液を供給することによってワイヤーのラッピング作用で切断する方法（遊離砥粒タイプ）と、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。固着砥粒タイプにおいては、ワイヤーまたは被加工物の冷却不足に伴うワイヤーの断線が多く発生し、シリコン等の半導体基板を作製する方法には不向きであった。

このため、ワイヤー表面に砥粒が固着された砥粒固着ワイヤーにより被加工物を切断する方法において、被加工物の切断部分とその近傍に水または水溶性の加工液を噴射しながら切断加工を行うワイヤーソー装置が提案されている（下記の特許文献１を参照）。

特開２０００−２９６４５５号公報

しかしながら、固着砥粒タイプにおいてワイヤーの断線が発生することがあった。そこで、確実にワイヤーの断線率を低減することのできるワイヤーソー装置および半導体基板の製造方法が望まれてきた。

本発明の一形態に係るワイヤーソー装置は、表面に砥粒が固着されたワイヤーと、
前記ワイヤーの上に設置される被加工物を接着するスライス台と、
前記スライス台を保持するベースプレートと、
前記ベースプレートを固定する装置固定体と、
前記被加工物の切断部分に加工液を供給する供給ノズルと、を備え、
前記ワイヤーの走行方向において、前記被加工物の端部より外側に、前記スライス台、前記ベースプレートまたは前記装置固定体の一部を位置させた突出部を有し、前記被加工物と前記スライス台との界面から前記突出部までの距離が、前記加工液の跳ねを受けない距離に設定されていることを特徴とする。

また、本発明の一形態に係るワイヤー装置は、表面に砥粒が固着された複数の列をなすワイヤーと、
前記ワイヤーの上に設置される被加工物の切断部分に加工液を供給する供給ノズルと、
前記被加工物と前記供給ノズルとの間に位置して、かつ前記ワイヤーの上方に前記被加工物に対して間隔をとって位置する加工液受け部材と、を備え、
前記加工液受け部材と前記被加工物との間隔が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする。

さらに、本発明の一形態に係る半導体基板の製造方法は、上記のいずれかのワイヤーソー装置を用いて、半導体からなる被加工物を切断して半導体基板を得ることを特徴とする。

上述のワイヤーソー装置および半導体基板の製造方法により、切断領域に入り込まない加工液が被加工物の壁面にぶつかり、その後、ワイヤー進行方向の反対かつ上方に跳ね返った加工液がワイヤー走行面に落下した際に、加工液の整流作用および供給量の悪化を低減することができる。これにより、加工液の供給量不足によるワイヤーの断線を十分に低減することができる。

本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に示す概略斜視図である。 本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に説明する概略断面図である。 本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に説明する概略断面図である。 本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に説明する概略断面図である。 本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に説明する図であり、（ａ）は概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＪ−Ｊ線断面図である。 本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に説明する図であり、（ａ）は概略断面図であり、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ部分拡大断面図である。 本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に説明する部分拡大平面図である。 本発明に係るワイヤーソー装置の一実施形態を模式的に説明する部分拡大断面図である。

以下に、本発明に係るワイヤーソー装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各種実施形態間において、同一部材については同一符号を付し、説明を省略するものとする。

＜実施形態１＞
図１に示すように、ワイヤーソー装置Ｓ１は、表面に砥粒が固着され平均直径Dのワイヤー３が、複数の溝を表面に有するメインローラ５に巻きつけられてなり、ワイヤー３の上部には加工液を供給する供給ノズル４を備えている。

このようなワイヤーソー装置Ｓ１により、複数のメインローラ５間を走行するワイヤー３に切断対象である被加工物１を押し当て切断することによって、基板を製造する。

被加工物１は、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等からなるインゴットまたはインゴットの端部等を切断して形成されるブロックが用いられる。ここで、単結晶シリコンのインゴットを用いる場合、そのインゴットは例えば円柱状であり、そのサイズは、例えば直径８インチ，長さ１ｍ〜１．５ｍである。また、多結晶シリコンのインゴットを用いる場合、そのインゴットは例えば直方体状であり、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おり、シリコンブロックは断面形状が矩形（正方形状を含む）であって、そのサイズは、例えば１５６ｍｍ×１５６ｍｍ×３００ｍｍである。

このような被加工物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台２上に接着剤などによって接着される。この接着剤としては、熱硬化型二液性のエポキシ系、アクリル系、アクリレート系またはワックスなどを用いる。スライス後、基板をスライス台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を用いる。そして、スライス台２とベースプレート１０とを接着またはクランプ等で保持し、ベースプレート１０はネジまたはクランプにより装置固定体１１に固定され、被加工物１を装置内に１本または複数本配置する。一般的にスライス台２は１０〜３０ｍｍの厚さを有し、ベースプレート１０は１０〜３０ｍｍの厚さを有している。

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、複数の列を形成している。また、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１００μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上１３０μｍ以下である。本実施形態において、ワイヤー３は、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以下とした方がよく、砥粒を含めたワイヤー３の平均直径Ｄは１１０μｍ以上２１０μｍ以下となり、より好ましくは１１０μｍ以上１７０μｍ以下である。

ワイヤー３には、供給ノズル４の複数の開口部からワイヤー３および被加工物１を冷却するクーラント液の役割を果たす加工液が供給される。加工液は、例えばグリコール等の水溶性溶剤または油性溶剤からなり、水で上記溶剤を希釈してもよい。供給ノズル４に供給する加工液の供給流量は、被加工物１の大きさおよび本数によって適宜設定される。また、加工液を循環させて使用してもよく、その際に加工液中に含まれる砥粒および切屑等を除去して使用される。供給ノズル４より供給された加工液は被加工物１の切断部分とその近傍に供給される。

メインローラ５は、例えば、エステル系、エーテル系もしくは尿素系のウレタンゴム、またはニューライト等の樹脂からなり、その直径は１５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下程度、長さが２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下程度である。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複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、基板の厚みが定まり、基板の厚みは２５０μｍ以下に形成される。

ワイヤー３の下方には、切断時に発生する被加工物の切屑や加工液の回収を目的としてディップ槽６が設けられる。

供給リール７および巻取リール８は、スチール等からなるボビン形状の表面に砥粒固着ワイヤー３が巻きつけられている。また、ワイヤーソー装置Ｓ１は、供給リール７および巻取リール８を所定の速度で回転させるためのモーターと、ワイヤー３を所定の位置に巻きつけるために案内するトラバーサとを有する。

複数のガイドローラ９は、ワイヤー３を供給リール７からメインローラ５へ、さらにメインローラ５から巻取リール８へと案内する役割を有する。それぞれのガイドローラ９は、ワイヤー３が走行する溝を有する。このようなガイドローラ９は、例えば、エステル系、エーテル系または尿素系のウレタンゴムからなり、特にエーテル系のウレタンゴムを使用することにより、同様の硬度を用いたエステル系のものよりもガイドローラ９の磨耗を低減することができる。

また、ワイヤーソー装置Ｓ１は、供給リール７および巻取リール８に巻きつけるワイヤー３の張力を調整する手段とワイヤー３に加えられている張力を検出するセンサとを備えている。

また、図２に示すように、ワイヤーソー装置Ｓ１は、ワイヤー３の走行方向において、被加工物１の端部１ａより外側にあるスライス台２またはベースプレート１０または装置固定体１１の突出部の下面が、被加工物１とスライス台２との界面ｅから上に５０ｍｍ以上離れている。すなわち、図２に示すワイヤーソー装置Ｓ１の場合、界面ｅと装置固定体１１の突出部１１ａの下面との距離ｄが加工液の跳ねを受けない距離の５０ｍｍ以上に設定されている。

通常、砥粒固着ワイヤーに用いられる加工液は粘度が低い。このため、被加工物１の切断領域に入り込まない加工液が被加工物１の壁面にぶつかり、その後、上方に高く跳ね返って装置部材にぶつかり、そして、加工液がまとまった状態でワイヤー走行面に落下した衝撃によりワイヤー３表面の加工液が失われ、加工液の整流作用および供給量が阻害される。その結果、ワイヤー３および被加工物１の冷却不足となりワイヤー３が断線することが分かった。また、供給ノズル４から供給される加工液は、場所によって、噴出圧力や供給量に若干のばらつきが存在するため、被加工物１の一部でより顕著に跳ね返りが発生する。

しかし、上記構成により、上方に跳ね返った加工液が被加工物１よりも上部に存在する装置部材と接触することが回避される。このため、上方に跳ね返った加工液がまとまってワイヤー走行面に落下することが低減され、上方に跳ね返った加工液は周囲に散って落下する。このことから、加工液の整流作用及び供給量の悪化を低減することができ、加工液の供給量不足によるワイヤーの断線の悪化（特に跳ね返った加工液が装置部材と接触する可能性の高い切断後半時における悪化）を十分に低減することができる。

また、図２に示すように、スライス台２においてワイヤー３の走行方向において被加工物１の端部１ａがスライス台２の端部２ａと面一の端面に位置するようにするとよい。これにより、上方に跳ね返った加工液がスライス台２に接触することがないため、加工液の整流作用及び供給量の悪化を低減することができる。

また図２に示すように、ベースプレート１０も、ワイヤー３の走行方向において被加工物１の端部１ａをベースプレート１０の端部１０ａと面一に位置させてもよい。この構成により、上方に跳ね返った加工液がベースプレート１０に接触することがないため、加工液の整流作用および供給量の悪化を低減することができる。

以上のように、本実施形態のワイヤーソー装置Ｓ１は、表面に砥粒が固着されたワイヤー３と、ワイヤー３の上に設置される被加工物１を接着するスライス台２と、スライス台２を保持するベースプレート１０と、ベースプレート１０を固定する装置固定体１１と、被加工物１の切断部分に加工液を供給する供給ノズル４と、を備え、ワイヤー３の走行方向において、被加工物１の端部１ａより外側に、スライス台２、ベースプレート１０または装置固定体１１の一部を位置させた突出部を有し、被加工物１とスライス台２との界面ｅから突出部１１ａまでの距離ｄが、加工液の跳ねを受けない距離に設定されている。

なお、被加工物１をスライス台２に設置する際に、またはスライス台２をベースプレート１０に設置する際に、位置ズレ等を生じる場合があるが、スライス台２および／またはベースプレート１０の端部が被加工物１の端部１ａよりも若干外側に位置しても本発明の効果に影響はない。例えば、外側に位置する長さが５ｍｍ以下であればスライス台２および／またはベースプレート１０の端部と被加工物１の端部１ａはほぼ同じとみなすことができる。

＜実施形態２＞
図３に示すワイヤーソー装置Ｓ２のように、被加工物１の端部１ａがスライス台２の端部２ａよりも外側に位置するように構成してもよい。これにより、上方に跳ね返った加工液がスライス台２に接触することがないため、加工液の整流作用及び供給量の悪化を低減することができる。

さらに、ベースプレート１０の端部１０ａよりも外側に位置させるようにしてもよい。このような構成により、上方に跳ね返った加工液がベースプレート１０に接触することがないため、加工液の整流作用および供給量の悪化を低減することができる。

なお、図３において、被加工物１の端部１ａと、スライス台の端部２ａまたはベースプレート１０の端部１０ａのいずれか一方とが面一であってもよい。また、実施形態１と同様に、スライス台２の端部２ａまたはベースプレート１０の端部１０ａが被加工物１の端部１ａよりも若干外側に位置しても本発明の効果に影響はない。例えば、外側に位置する長さが５ｍｍ以下であれば、スライス台２の端部２ａおよび／またはベースプレート１０の端部１０ａと被加工物１の端部１ａは、ほぼ面一とみなすことができる。

＜実施形態３＞
図４に示すワイヤーソー装置Ｓ３のように、スライス台２およびベースプレート１０におけるワイヤー３の列方向の幅を、被加工物１の幅よりも広く設計することにより、ワイヤー３の走行方向の幅を被加工物１と同じかそれより狭くしてもよい。これにより、被加工物１が位置しない部分にスライス台２をベースプレート１０に取り付ける機構、および／またはベースプレート１０を装置固定体１１に取り付ける機構を設けることができるため、被加工物１を容易に装置内に固定することができる。

＜実施形態４＞
ワイヤー３の列幅は被加工物１の幅とほぼ同じに形成されるが、図５（ａ）に示すワイヤーソー装置Ｓ４のように、ワイヤー３の列幅を被加工物１の幅よりも狭くしてもよい。これにより、ワイヤー３の部分的なたわみおよび断線を防止できる。また、ワイヤー３の列幅よりも外側に位置する部分Ａにおいては、図５（ｂ）に示すように、スライス台２やベースプレート１０の端部（２ａ、１０ａ）が被加工物１の端部１ａよりも外側に位置しても構わない。

＜実施形態５＞
図６（ａ）に示すワイヤーソー装置Ｓ５のように、被加工物１と供給ノズル４との間のワイヤー３の上方に、被加工物１と、間隔をとって加工液受け部材１２とを、有する構成としてもよい。上記構成により、上方に跳ね返った加工液の多くは加工液受け部材１２の上に落下することになるため、上方に跳ね返った加工液がまとまってワイヤー走行面に落下することが低減され、加工液の整流作用及び供給量の悪化を低減することができ、加工液の供給量不足によるワイヤーの断線の悪化、特に切断後半時における悪化を十分に低減することができる。

ここで、加工液受け部材１２で回収した加工液はディップ槽６に送るようにしてもよく、また、別途回収機構を設けて再度利用するようにしても構わない。また、加工液受け部材１２の上に落下した加工液を回収する回収溝１２ａは、図６（ｂ）に示すように、被加工物１側に設けてもよく、図６（ｃ）に示すように、供給ノズル４側に設けても構わない。

また、図７に示すように、加工液受け部材１２のワイヤー３の列方向の幅ｇは、ワイヤー３の列幅ｈ以上を有することによって、上方に跳ね返った加工液がまとまってワイヤー３の走行面に落下することがより低減されるとともに、加工液の装置内への飛散を低減することができる。

また、加工液受け部材１２と被加工物１との間隔ｋを１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることにより、跳ね返った加工液をより効率よく回収することができる。

また、加工液受け部材１２とワイヤー３との間隔は適宜設定すればよいが、ワイヤー３が接触しない程度に近くに設ければよく、例えば、２０ｍｍ程度の間隔を有する。

さらに、図８に示すように、供給ノズル４の先端にワイヤー方向に延びる延長部材４ａを有することにより、加工液が整流された状態でワイヤー３の表面に加工液が保持されやすく、安定して被加工物１の切断領域に加工液が持ち込まれる。

＜スライス方法＞
次に、本実施形態の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。そして、高速に走行しているワイヤー３は、被加工物１を切断し、巻取リール８に巻きつけられる。また、メインローラ１５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。

被加工物１の切断は、高速に走行しているワイヤー３に向かって供給ノズル４から加工液を供給しながら被加工物１を下降させて、ワイヤー３に被加工物１を相対的に押圧することによりなされる。被加工物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）、被加工物を下降させる速度（フィード速度）は適宜制御されている。例えば、ワイヤー３の最大走行速度は、５００ｍ／分以上１０００ｍ／分以下に設定し、最大フィード速度は３５０μｍ／分以上１１００μｍ／分以下に設定する。このとき、ワイヤー３が往復運動する際に、ワイヤーの走行速度が変化するのに合わせて、フィード速度も変化する。

そして、被加工物１をスライスすると同時に、スライス台２も２ｍｍ以上５ｍｍ以下程度に切断され、基板はスライス台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。そして熱風やエアーなどにより、基板の表面を完全に乾燥させて、スライス台２から剥離することで基板が完成する。

このように、上記装置構成により、粘度計を用いて測定した加工液の粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上３０ｍＰａ・ｓ以下のものを使用しても、加工液の供給量不足によるワイヤー３の断線を低減することができるため、使用できる加工液の種類が多く生産性を向上させることができる。

また、ワイヤー３の走行速度が５００ｍ／分以上と高速に設定すると跳ね返る加工液が多くなるが、上記装置構成を有することにより加工液の供給量不足によるワイヤー３の断線を低減することができる。このため、装置の設定条件の幅が広くなり生産性を向上させることができる。

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。また、ワークは太陽電池素子等の半導体材料に限定されるものではなく、例えばその他の金属またはセラミックス等でもよい。

以下に、より具体的な実施例について説明する。

まず、被加工物であり、サイズが１５６ｍｍ×１５６ｍｍ×３００ｍｍの直方体状の多結晶からなるシリコンブロックを２本用意した。そして、ガラス板からなるスライス台にエポキシ系接着剤を塗布し、２本の多結晶シリコンブロックをそれぞれスライス台に設置した状態でエポキシ系接着剤を硬化させて、多結晶シリコンブロックをスライス台に接着固定した。

次に、スライス台に接着したシリコンブロックを、ベースプレートを介して装置固定体に設置した。スライス台とベースプレートの厚みはそれぞれ２０ｍｍであり、ワイヤーの走行方向においてスライス台とベースプレートの端部はシリコンブロックの端部と面一とした。

次に、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）３を双方向に走行させながら、スライス台に接着したシリコンブロックをスライスして、平均厚み２００μｍのシリコン基板を作製した。

ここで、ワイヤーの走行方向においてシリコンブロックの端部より外側にある装置固定体の突出部が、シリコンブロック１とスライス台２との界面から上に、４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍそれぞれ離れている条件を条件１〜４（ただし、条件１は比較例）とした。

また、条件１に対して、シリコンブロックと供給ノズルとの間に位置して、かつワイヤーの上方に位置する加工液受け部材を設け、シリコンブロックから加工液受け部材までの距離を７、１０、３０、５０、６０ｍｍとした条件を条件５〜９とした。

これら条件１〜９において、ワイヤー３の断線率を評価した。ここで、断線率はシリコンブロックの切断加工作業を２００回行なって、ワイヤーの断線があった回数をカウントして算出した。

表１に示すように、条件１〜９の結果から、条件２〜９において、ワイヤーの断線率が、比較例である条件１に比べて大きく改善することが判明した。特に、条件４，６，７においては断線率が０％であった。

１ ：被加工物
２ ：スライス台
３ ：ワイヤー
４ ：供給ノズル
１０ ：ベースプレート
１１ ：装置固定体
１２ ：加工液受け部材

Claims (8)

1. 表面に砥粒が固着されたワイヤーと、
   前記ワイヤーの上に設置される被加工物を接着するスライス台と、
   前記スライス台を保持するベースプレートと、
   前記ベースプレートを固定する装置固定体と、
   前記被加工物の切断部分に加工液を供給する供給ノズルと、を備え、
   前記ワイヤーの走行方向において、前記被加工物の端部より外側に、前記スライス台、前記ベースプレートまたは前記装置固定体の一部を位置させた突出部を有し、前記被加工物と前記スライス台との界面から前記突出部までの距離が、前記加工液の跳ねを受けない距離に設定されていることを特徴とするワイヤーソー装置。
2. 前記被加工物と前記スライス台との界面から前記突出部までの距離が５０ｍｍ以上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。
3. 前記ワイヤーの走行方向において、前記被加工物の端部が前記スライス台の端部よりも外側に位置するか面一であること特徴とする請求項１または２に記載のワイヤーソー装置。
4. 前記ワイヤーの走行方向において、前記被加工物の端部が前記ベースプレートの端部よりも外側に位置するか面一であること特徴とする請求項３に記載のワイヤーソー装置。
5. 表面に砥粒が固着された複数の列をなすワイヤーと、
   前記ワイヤーの上に設置される被加工物の切断部分に加工液を供給する供給ノズルと、
   前記被加工物と前記供給ノズルとの間に位置して、かつ前記ワイヤーの上方に前記被加工物に対して間隔をとって位置する加工液受け部材と、を備え、
   前記加工液受け部材と前記被加工物との間隔が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とするワイヤーソー装置。
6. 前記加工液受け部材の前記ワイヤーの列方向の幅は、前記ワイヤーの列幅以上であることを特徴とする請求項５に記載のワイヤーソー装置。
7. 前記供給ノズルの先端に前記ワイヤー方向に延びる延長部材を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のワイヤーソー装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のワイヤーソー装置を用いて、半導体からなる被加工物を切断して半導体基板を得ることを特徴とする半導体基板の製造方法。

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