KR20090025186A - 실리콘 주괴 절단용 슬러리 및 그것을 이용하는 실리콘 주괴 절단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 알칼리 금속 수산화물 등의 염기성 물질 및 연마 입자, 물을 함유하는 실리콘 주괴 절삭용 슬러리로서, 상기 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량% 함유하는 것을 사용한 것이다.

Description

실리콘 주괴 절단용 슬러리 및 그것을 이용하는 실리콘 주괴 절단 방법{SLURRY FOR SILICON INGOT CUTTING AND METHOD OF CUTTING SILICON INGOT THEREWITH}

본 발명은, 예컨대 태양 전지용 웨이퍼를 제조하기 위해 실리콘 주괴를 절단할 때에 사용하는 슬러리 및 그것을 이용하는 실리콘 주괴 절단 방법에 관한 것이다.

종래, 실리콘 주괴의 절단에는, 비교적 작은 절단값으로 한 번에 다수 장의 웨이퍼를 절단할 수 있는 멀티 와이어 소우(multi wire saw)가 이용되고 있다. 태양 전지용 웨이퍼 제조에 따른 실리콘 주괴 절단에 있어서의 기본적인 멀티 와이어 소우의 장치 구성을 도 1에 나타낸다. 도면에 나타내는 와이어 소우(10)에 있어서, 1은 실리콘 주괴로, 워크 플레이트(2)에 접착 고정되어 있으며, 통상적으로 구경 150㎜각(角) 전후이고 길이가 400㎜ 전후인 것이 비교적 많이 이용되고 있다.

3은 와이어 이동 기구(4)로부터 송출되는 와이어이고, 2개의 와이어 가이드 롤러(5) 사이에 0.3 내지 0.4㎜ 정도의 피치로 감기며, 와이어 권취 기구(6)에 권 취된다. 와이어(3)는 일반적으로 직경 0.16㎜의 피아노 선이 이용된다. 송출 기구(4)와 2개의 와이어 가이드 롤러(5)와 권취 기구(6)를 동기 제어된 모터(도시하지 않음)로 구동함과 아울러, 텐션 롤러(7)의 위치를 제어하여 와이어(3)에 항상 소정의 장력을 주면서 600m/min 전후의 속도로 보낸다. 또한, 슬러리 교반ㆍ공급 탱크(8)로부터 슬러리 도포 헤드(9)를 통하여 와이어(3)에 슬러리를 도포한다. 이 상태에서 워크 플레이트(2)에 접착 고정한 주괴(2)를 아래쪽으로 보낸다.

이 와이어 소우(10)를 이용한 실리콘 주괴(1)의 절단은, 주행하는 와이어(3)와 주괴(1) 사이에 연마 입자(砥粒)를 포함하는 절삭용 슬러리를 도입하여, 와이어(3)로 연마 입자를 주괴(1)에 밀어붙임과 아울러 전동시켜 주괴(1) 표층에 마이크로 크랙을 발생시켜 실리콘 미분으로서 깎아냄으로써 행해지고 있다. 이러한 실리콘 주괴(1)의 절단에 있어서, 웨이퍼 수율을 높여 웨이퍼의 재료 비용 저감을 도모하기 위해 절단값의 축소나 웨이퍼를 얇게 자르는 것이 요구되고 있다.

도 2는 상기 멀티 와이어 소우(10)를 이용하는 실리콘 주괴(2)의 절단부 확대도이며, 실리콘 주괴(1)의 절단에 있어서의 각 파라미터의 관계를 나타내는 것이다. 도 3은 실리콘 주괴(1)의 절단 홈에 있어서 와이어에 걸리는 힘을 나타내는 모식도이다. 도 2, 도 3에 있어서, 실리콘 주괴(1)의 이동 속도 V, 와이어(3)의 이동 속도 U, 절단 저항 P, 절단 방향에 직각인 방향의 와이어(3)의 변위 δx, 절단 방향의 와이어(3)의 변위 δy, 와이어(3)의 장력 T의 관계를 나타내는 것으로서 이하의 실험식이 일반적으로 알려져 있다.

P∝V/U (1)

δx∝P/T (2)

δy∝P/T (3)

와이어(3)에 의해 절단되는 계면에 연마 입자(11)를 포함하는 슬러리가 도입되면, 와이어(3)가 휘어 변위 δy가 발생하여 절단 저항 P가 발생한다. 절단 저항 P는 서서히 증가하지만, 소정의 값이 되면 일정해진다. 상기 절단 계면에서는 연마 입자(11)의 분산이 균일하지 않고, 절단 저항 P에 비례하는 힘이 절단 방향과 직각을 이루는 방향으로 작용하여 와이어(3)의 변위 δx가 발생한다.

δx의 값이 커지면, 실리콘 주괴(1)를 절단하여 얻어지는 웨이퍼의 휨, 두께 불균일, 미소한 요철이 발생하여, 웨이퍼의 품질이 저하된다. 식 (2)로부터 δx를 작게 하기 위해서는 절단 저항 P를 저감하는 것을 생각할 수 있다.

식 (1)로부터 실리콘 주괴(1)의 이동 속도 V를 작게 하든지 와이어(3)의 이동 속도 U를 크게 하면 좋게 되지만, 주괴(1)의 이동 속도 V를 저하시키면 절단 시간이 길어져 생산 능률이 저하된다. 와이어의 주행 속도 U를 증가시키면 고가의 와이어의 사용량이 증가하여 절단에 따른 러닝 비용이 증가한다. 한편, 절단값을 작게 하기 위해서는, 와이어(3)의 직경을 작게 할 필요가 있지만, 그만큼 와이어(3)의 파단 강도가 저하되므로 와이어(3)에 인가하는 장력 T를 작게 할 필요가 있다. 장력 T를 작게 하면, 식 (2)로부터 와이어(3)의 변위 δx가 커져, 전술한대로 웨이퍼의 품질이 저하하게 된다.

또한, 절단 후의 웨이퍼 표층부에는 마이크로 크랙이 잔존한다. 웨이퍼에 가공을 실시하여 태양 전지 셀을 제조할 때에는, 처음에 이 손상층을 에칭으로 제 거할 필요가 있어, 주괴 절단 후 웨이퍼 두께가 더 줄어든다. 웨이퍼 두께가 얇아질수록, 웨이퍼의 반송, 가공 공정에서의 웨이퍼 파손율이 증가한다. 종래 기술에서는, 이 손상층의 깊이가 10㎛ 전후이어서, 웨이퍼를 얇게 자르는데 방해가 되고 있다.

이러한 문제를 해결하는 수단으로서 알칼리 수용액과 연마 입자로 이루어지는 슬러리를 이용한 와이어 소우의 기초적 검토가 이루어져 있다. 실리콘 주괴 절단에 있어서 가공액에 화학적인 용거(溶去) 작용을 갖게 하면 와이어를 이동시킬 때의 저항(이하, 인발 저항이라 칭함)이 감소하여, 주괴 표층의 크랙 깊이도 감소한다고 보고되어 있다(예컨대, 기술 문헌 1 참조).

도 4에 상기 슬러리에 화학적 작용을 갖게 했을 때의 효과를 설명하는 개념도를 나타낸다. 도면 중, A1은 중성 슬러리를 이용했을 때의 상태이고, A2는 이때의 시간과 와이어(3)의 인발 저항 F의 관계를 나타내는 것이다. B1은 알칼리 슬러리를 이용했을 때의 상태이며, B2는 이때의 시간과 와이어(3)의 인발 저항 F의 관계를 나타내는 것이다.

슬러리 중의 연마 입자(11)가 와이어(3)에 의해 주괴(1)에 밀어붙여짐과 아울러 전동시켜져, 주괴(1)의 표면에 잇달아 발생한 크랙(12)이 이어지거나, 주괴(1) 표면에 달한 부분에서 실리콘의 미분이 발생하여, 전동하는 연마 입자나 유동하는 슬러리액에 의해 절단 홈으로부터 배출된다. 미분이 발생한다고 하는 것은 크랙이 소멸하는 것을 의미한다. 슬러리를 알칼리화하면 A2와 B2로 비교되듯이 크랙의 발생으로부터 소멸까지의 주기가 짧아져, 절단 계면에서 큰 제거력(인발 저항 F)이 걸리지 않는 동안에 주괴(1)의 표면에서 미분말을 생성시켜 배출한다고 고찰되고 있다.

도 2에 있어서, 와이어(3)에는 절단 방향과 직각을 이루는 방향의 와이어(3)의 변위 δx를 소정의 값 이하로 하기 위해 장력 T가 주어지고 있지만, 주괴(1)로부터 와이어(3)를 뽑아내는 측의 와이어 부분에는 인발 저항 F가 가산되어 있다. 인발 저항 F가 작아지면 와이어(3)에 가해지는 힘도 감소한다. 또한 와이어 송출 측으로부터 권취 측으로 와이어(3)가 이동함에 따라, 연마 입자가 와이어(3)를 계속 찰과함으로써 와이어 직경은 작아져 가지만, 인발 저항 F가 작아지면 찰과하는 힘도 줄어들게 되어, 와이어(3)의 소직경화가 억제된다. 와이어(3)에 부하되는 인발 저항 F의 저감과 와이어 마모량의 저감을 도모한 만큼, 와이어 직경의 축소를 도모할 수 있어, 절단값을 저감할 수 있다.

상기 접근법의 연장으로, 슬러리를 pH 9 이상의 알칼리성으로 하여 30℃ 내지 80℃에서 이용하거나, pH 3 이상 pH 6 이하의 산성으로 하여 25℃ 내지 65℃에서 이용한 싱글 와이어 소우가 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).

또한, 연마 입자를 포함시키지 않는 에칭액을 와이어에 도포하여, 와이어와 피가공물 사이에 발생하는 마찰열에 의한 에칭액의 온도를 50℃ 내지 60℃로 하여 피가공물을 절단하는 수단이 제안되어 있다(특허 문헌 2 참조).

비특허 문헌 1: 일렉트로닉스용 결정 재료의 정밀 가공, 소화 60년 1월 30일 발행, 가부시키가이샤 사이언스 포럼

특허 문헌 1: 일본 특허공개 평 2-262955 호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허공개 평 2-298280 호 공보

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

태양 전지용 웨이퍼 제조에 따른 실리콘 주괴 절단에 있어서는, 허용되는 제조 비용면에서 한 번에 수천 장의 웨이퍼 절단이 요구된다. 또한 절단 후의 웨이퍼는 표층의 절단 손상층을 에칭 제거하여 사용하지만, 반도체용 웨이퍼와 같이 표면을 연마하여 마무리하는 공정을 추가하는 것은 제조 비용의 상승을 초래하여 허용되지 않는다. 따라서 주괴 절단만으로, 웨이퍼의 기복이나 두께 격차의 요구치를 만족시키지 않으면 안된다.

상기 특허 문헌 2에 개시된 에칭액을 와이어에 도포하는 수단은, 와이어의 피가공물에 대한 당접력(當接力)이나 절단 계면의 온도를 엄밀히 관리할 필요가 있지만, 싱글 와이어에 있어서 가능한 것으로, 다수의 와이어 절단에 있어서 대체로 실현할 수 있는 것이 아니다.

또한, 특허 문헌 1에 개시된 산성 또는 알칼리성의 연마 입자를 포함하는 슬러리를 이용한 주괴 절단에 있어서는, 산이나 알칼리와 실리콘의 반응의 제어 및 반응 생성물이나 연마 입자의 액 중 분산성의 유지가 중요하다. 와이어가 절단 방향으로 진행하여 절단 홈을 형성하여 가지만, 절단 홈에 상시 슬러리가 공급되고 있으므로 에칭 작용에 의해 주괴의 절단 개시부는 절단 종료부보다도 절단 방향과 직각을 이루는 방향(웨이퍼의 판 두께 방향)으로 용거가 진행된다.

태양 전지용 웨이퍼 제조에 따른 실리콘 주괴 절단에 있어서는, 추가 연마 등으로 웨이퍼 두께를 수정하는 것은 허용되지 않으므로, 에칭 작용이 과잉이면 웨이퍼 두께의 요구치를 만족시킬 수 없다. 또한 수천 장의 웨이퍼를 주괴로부터 잘라내기 위해 다량의 슬러리가 필요하여, 슬러리 교반 탱크와 절단부 사이를 순환시켜 이것을 실현시키고 있지만, 실리콘과의 반응 생성물이나 연마 입자의 분산성이 악화되어 응집하면, 절단 계면으로의 연마 입자의 공급이 방해되어 와이어의 인발 저항이 증가하여 와이어가 파단되거나, 절단 저항이 증대하여 와이어의 절단 방향과 직각을 이루는 방향의 변위가 증가하여, 웨이퍼에 기복이나 단차를 발생시키고 있었다.

pH 12로 조정한 연마 입자를 포함하는 60℃의 알칼리 수용액 슬러리를 이용하여, 50가닥의 와이어에 의한 150㎜각의 실리콘 주괴 절단 실험을 실시한 결과, 와이어의 절단 방향과 직각을 이루는 방향의 변위가 커서, 인접하는 와이어끼리 같은 홈을 절단하거나, 50㎜ 내지 70㎜ 파낸 곳에서 와이어 파단이 발생하거나 했다. 분석의 결과, 반응 생성물이나 연마 입자가 응집하여 절단 계면에 충분한 연마 입자가 공급되지 않아, 와이어의 절단 저항이나 인발 저항이 증대했기 때문임을 알 수 있었다. 연마 입자가 절단 계면에 전혀 공급되지 않아 주괴와 와이어의 직접 마찰에 의해 주괴의 절단부의 온도가 급상승하여 와이어 파단에 이른 것도 있었다.

화학적 작용을 갖게 한 연마 입자를 포함하는 슬러리를 이용한 주괴 절단에 있어서는, 화학 반응의 제어 및 반응 생성물이나 연마 입자의 액 중 분산성의 유지를 실현할 수 있는 슬러리 조성의 결정이 필수이다. 본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하고자 하는 것으로, 실리콘 주괴 절단에 있어서, 와이어의 인발 저항이 낮 아, 웨이퍼의 두께 불균일이나 미소한 요철, 표층의 손상이 적은 절단이 가능한 절삭용 슬러리 및 그것을 이용하는 실리콘 주괴의 절단 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은, 연마 입자, 염기성 물질 및 물을 함유하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리에 있어서, 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량% 함유하는 것이다.

발명의 효과

본 발명에 따른 실리콘 주괴 절단용 슬러리는, 염기성 물질, 글리세린, 연마 입자를 함유하는 수계 슬러리이며, 슬러리의 액체 성분 전체의 질량에 대하여 각각 적량 함유함으로써, 실리콘과의 화학적 작용의 제어 및 반응 생성물이나 연마 입자의 액 중 분산성을 유지할 수 있다. 이에 따라, 실리콘 주괴 절단에 있어서의 화학적 작용과 물리적 작용의 상승 효과를 유도할 수 있어, 태양 전지용 웨이퍼의 요구 품질을 확보하면서, 절단 계면에 있어서의 실리콘의 제거력(와이어의 인발 저항)을 저감할 수 있으므로, 와이어의 세선화에 의한 절단값의 삭감이나, 절단 손상의 저감에 의한 웨이퍼 얇게 자르기를 실현하여 웨이퍼의 비용 저감을 도모할 수 있다.

본 발명의 상기 이외의 목적, 특징, 관점 및 효과는, 도면을 참조하는 이하의 본 발명의 상세한 설명으로부터 더 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 이용되는 실리콘 주괴 절단에 있어서의 멀티 와이어 소우의 개략 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 상기 멀티 와이어 소우를 이용하는 실리콘 주괴의 절단부 확대도이다.

도 3은 상기 실리콘 주괴의 절단 홈에 있어서 와이어에 걸리는 힘을 나타내는 모식도이다.

도 4는 슬러리에 화학적 작용을 갖게 했을 때의 효과를 설명하는 개념도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 주괴 2: 실리콘 주괴 이동 기구

3: 와이어 4: 와이어 송출 기구 회전

5: 롤러 6: 와이어 권취 기구

7: 장력 제어 롤러 8: 슬러리 교반ㆍ공급 탱크

9: 슬러리 도포 헤드 10: 멀티 와이어 소우

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

실시형태 1.

멀티 와이어 소우에 의한 실리콘 주괴 절단에 있어서는, 절단 계면에 계속 연마 입자를 적량 공급할 필요가 있다. 이 연마 입자를 절단 계면에 반송하는 수단은 와이어이지만, 이 와이어에 연마 입자를 분산 담지시키는 매개물로서, 또한 와이어와 연마 입자와 주괴 사이의 마찰력을 저감하고 절단 계면의 냉각을 행하기 위해 액체가 필요하다. 액체의 점도는 일정한 범위로 관리할 필요가 있다. 점도가 낮으면 연마 입자를 필요량 와이어에 담지시킬 수 없고, 반대로 점도가 높으면 절단 계면에 액이 침투하지 않아, 마찬가지로 필요한 양의 연마 입자를 절단 계면에 공급할 수 없다. 또한 절단부에서의 액압이 높아져, 절단 중인 웨이퍼를 떼어놓는 힘이 작용하여, 이 힘에 의해 절단 계면에 있어서의 굽힘 응력이 높아져 웨이퍼가 파단된다. 연마 입자를 액 중에 분산시켜 두는 것도 중요하다. 연마 입자가 응집하면 주괴 외부로부터 절단부에 와이어가 들어가 입구에서 연마 입자가 퇴적하여 연마 입자의 절단 계면으로의 공급량이 줄고, 게다가 와이어의 인발 저항이 높아져 와이어를 파단시킨다.

소정의 점도를 갖고, 염기성 물질의 화학적 작용을 감소시키는 일이 없고, 또한 염기성 물질과 실리콘의 반응 생성물인 규산염ㆍ실리카 기인의 증점이나 연마 입자의 응집을 일으키게 하는 일이 없는 성질을 갖는 액체의 선택이 중요하다. 여러 가지의 검토를 가한 결과, 이 성질을 갖는 액체로서 글리세린이 최적인 것을 알았다. 글리세린은 적절한 점도를 가짐과 아울러, 극성이 크고 규산염ㆍ실리카 생성에 의한 슬러리 액 중의 제타 전위 저하를 억제하며, 물과의 친화성이 좋아 규산염ㆍ실리카와 물이 수화, 겔화함에 의한 슬러리의 증점을 억제한다는 것을 알았다.

염기성 물질의 양이 적으면 화학적 작용이 발휘되지 않는 것에 더하여, 규산염 중의 실리카의 비율이 늘어, 상기 제타 전위의 저하나 증점을 촉진시킨다. 한편, 염기성 물질의 양이 많으면 에칭 작용이 너무 강해져 웨이퍼의 절단 개시 부분의 용거량이 한도를 넘는다. 또한 실리콘과의 반응으로 발생하는 수소의 양이 과잉이 되어 절단 계면에 있어서의 슬러리 중의 기포량이 많아져, 많은 연마 입자 공핍부가 생겨 절단 속도를 현저히 저하시키고, 경우에 따라서는 와이어와 연마 입자, 실리콘 주괴의 액체 윤활 접촉이 없어져 높은 마찰력에 의해 와이어 파단에 이른다.

염기성 물질의 양의 관리가 중요한데, 슬러리 액체 성분 전체에서 차지하는 글리세린의 질량 비율과의 대비에서 최적치가 있다는 것을 알았다.

본 발명에 따른 제 1 실리콘 주괴 절단용 슬러리의 성분 비율에 있어서는, 태양 전지용 웨이퍼의 요구 품질을 확보하면서, 절단 계면에 있어서의 실리콘의 제거력(와이어의 인발 저항) 저감의 효과를 얻을 수 있고, 슬러리의 실리콘과의 화학적 작용의 제어 및 반응 생성물이나 연마 입자의 액 중 분산성을 유지할 수 있다. 이 성분 비율 밖에서는, 기대해야 할 효과를 얻을 수 없다는 것을 알았다.

글리세린 이외에, 각종 알코올, 아민, 에터, 폴리에틸렌 글라이콜 등을 검토했지만, 실리콘의 산화 반응이 일어나는 절단 조건하에 안정한 점도를 가져 연마 입자의 응집을 일으키지 않고, 적절한 화학적 작용을 유지시키는 것이 없었다. 또한 글리세린은 다른 액체에 비하여, 염기성 물질이 낮은 농도에 있어서 에칭의 속도의 증대를 억제하면서 절단 저항을 저감할 수 있었다. 이 원인은 분명하지는 않지만, 글리세린이 존재함으로써 물에 대한 염기성 물질의 비율이 높아져 염기로서의 효과(활량)도 높아지기 때문이라고 생각된다. 또한, 글리세린에 의한 적절하고도 안정한 점도에 의해, 실리콘 표면의 물질의 확산 속도가 느려져, 슬러리 유동이 매우 심한 와이어에서의 절삭 부분에서는 산화 반응은 진행되기 쉽지만, 웨이퍼 표면의 액의 흐름이 작은 부분에서는 산화 반응, 즉 에칭이 진행되기 어렵다고 추측된다.

본 발명에 따른 제 1 실리콘 주괴 절단용 슬러리는, 연마 입자, 염기성 물질 및 물을 함유하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리에 있어서, 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량% 함유한다.

연마 입자로서는, 일반적으로 연마재로서 이용되는 것이면 좋고, 예컨대 탄화규소, 산화세륨, 다이아몬드, 질화붕소, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 이산화규소를 들 수 있고, 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 조합시켜 이용할 수 있다. 이와 같은 연마 입자로 이용할 수 있는 화합물은 시판되고 있고, 구체적으로 탄화규소로서는 상품명 GC(Green Silicon Carbide) 및 C(Black Silicon Carbide)((주)후지미 인코포레이티드사 제품), 산화알루미늄으로서는, 상품명 FO(Fujimi Optical Emery), A(Regular Fused Alumina), WA(White Fused Alumina) 및 PWA(Platelet Calcined Alumina)((주)후지미 인코포레이티드사 제품) 등을 들 수 있다.

연마 입자의 평균 입자 직경은 특별히 한정되는 것이 아니지만, 바람직하게는 5㎛ 내지 20㎛이다. 연마 입자의 평균 입자 직경이 5㎛ 미만이면, 절단 속도가 현저히 느려져 버려 실용적이지 않고, 연마 입자의 평균 입자 직경이 20㎛를 초과하면, 절단 후의 웨이퍼 표면의 표면 조도가 커져 웨이퍼 품질이 저하되어 버리는 경우가 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 연마 입자의 함유량은 특별히 한정되는 것이 아니지만, 실리콘 주괴 절삭용 슬러리 전체의 질량에 대한 비율로서, 바람직하게는 40질량% 내지 60질량%이다. 연마 입자의 함유량이 40질량% 미만이면, 절단 속도가 느려져 실용성이 부족해지는 경우가 있고, 연마 입자의 함유량이 60질량%를 초과하면, 슬러리의 점도가 과대해져 슬러리를 절단 계면에 도입하기 어려워지는 경우가 있다.

염기성 물질로서는, 슬러리 중에서 염기로서 작용하는 물질이면 좋고, 예컨대 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 알칼리 금속 수산화물, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 수산화바륨 등의 알칼리 토류 수산화물을 들 수 있고, 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 조합시켜 이용할 수 있다. 이들 중에서도, 실리콘 주괴와의 반응성의 관점에서 알칼리 금속 수산화물이 바람직하다.

슬러리의 액체 성분으로서는, 물과 글리세린의 혼합물을 이용한다. 물은 불순물 함유량이 적은 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것이 아니다. 구체적으로는, 순수, 초순수, 시수(市水), 공업용수 등을 들 수 있다.

실리콘 주괴 절삭용 슬러리는 상기 각 성분을 원하는 비율로 혼합함으로써 조제할 수 있다. 각 성분을 혼합하는 방법은 임의이며, 예컨대 날개식 교반기로 교반함으로써 행할 수 있다. 또한, 각 성분의 혼합 순서에 대해서도 임의이다. 또한, 정제 등의 목적으로, 조제된 실리콘 주괴 절삭용 슬러리에 또 다른 처리, 예컨대 여과 처리, 이온 교환 처리 등을 행하더라도 좋다.

본 발명에 따른 실리콘 주괴의 절단 방법에서는 절단 장치로서 멀티 와이어 소우가 이용된다. 절단 방법으로서는, 이미 말한대로, 본 발명에 따른 제 1 슬러리를 교반 탱크 내에서 교반하면서 슬러리 도포 헤드에 펌프로 공급하고, 슬러리 도포 헤드로부터 와이어 가이드 롤러에 다수회 감아 고속으로 이동시키고 있는 와이어에 슬러리를 도포하여, 실리콘 주괴를 이 감긴 와이어를 향하여 보낸다. 와이어에 의해 연마 입자를 실리콘 주괴에 밀어붙임과 아울러 전동시킴으로써 절단 계면에 있어서 물리적으로 실리콘을 미분으로서 제거함과 아울러 염기성 물질에 의한 화학적 작용에 의해 이 제거를 작은 힘으로 이룬다.

이하, 상술한 제 1 실리콘 주괴 절단용 슬러리를 이용하여 실제로 절단한 실시예를, 각종 비교예와 대비하여 더 자세히 설명한다.

우선, 실시예 1, 비교예 1 내지 4에 나타내는 5종류의 실리콘 주괴 절삭용 슬러리를 제작하여 이하의 조건으로 실리콘 주괴를 절단하여, 표 1에 나타내는 결과를 얻었다. 또, 슬러리 제작에 있어서는, 연마 입자는 모두 SiC 연마 입자(후지미 인코포레이티드사 제품, GC#1500, 평균 입자 직경 약 8㎛)를 이용하고, 슬러리 중의 연마 입자와 연마 입자 이외의 성분의 질량비를 1:1로 했다. 또한 슬러리의 점도는 전단 속도 57.6[1/초], 슬러리 온도 25℃에서 50 내지 130m㎩ㆍs가 되도록 했다. 이 점도 범위는 예비 실험에 있어서, 실리콘 주괴를 멀티 와이어 소우와, 연마 입자를 혼합한 수계 슬러리를 이용하여 절단함에 있어서 적정한 점도 범위로서 구한 것이다.

<절단 조건>

절단 장치: 멀티 와이어 소우(장치 구성은 도 1에 나타내는 바와 같음)

와이어 직경: 0.1㎜(JFE 스틸사 제품, 형식 SRH)

연마 입자: 탄화규소(후지미 인코포레이티드사 제품, GC#1500, 평균 입자 직경 약 8㎛)

실리콘 주괴: 구경 150㎜각, 길이 250㎜의 다결정 실리콘을 2개 배치

절단 피치: 0.33㎜(절단값 0.13㎜, 웨이퍼 두께 0.2㎜)

절단 속도: 0.35㎜/분(주괴 이동 속도)

와이어 주행 속도: 600m/분

와이어 장력: 14N

슬러리 탱크 온도 설정: 25℃

〔실시예 1〕

글리세린 40질량%, 물 56질량%, 수산화나트륨 4질량%의 혼합액을 제작한 후, 동질량의 연마 입자를 가하여 교반했다.

〔비교예 1〕

프로필렌 글라이콜 39질량%, 폴리바이닐 알코올 1질량%, 물 56질량%, 수산화나트륨 4질량%의 혼합액을 제작한 후, 동질량의 연마 입자를 가하여 교반했다.

〔비교예 2〕

에틸렌 글라이콜 45질량%, 물 51질량%, 수산화나트륨 4질량%의 혼합액을 제작한 후, 동질량의 연마 입자를 가하여 교반했다.

〔비교예 3〕

다이에탄올아민 50질량%, 물 46질량%, 수산화나트륨 4질량%의 혼합액을 제작한 후, 동질량의 연마 입자를 가하여 교반했다.

〔비교예 4〕

시판되는 중성 쿨런트(오오토모 화학산업사 제품, 루나쿨런트 #691)에 동질량의 연마 입자를 가하여 교반했다.

표 1에 있어서의 와이어 파단의 유무는, 실시예 1, 비교예 1 내지 4에 대하여 각 3회씩 실리콘 주괴 절단 실험을 행한 결과를 나타낸다. 실시예 1만 3회 모두 와이어 파단 없이 절단 완료했다. 비교예 1, 2는 3회 모두 150㎜각 실리콘 주괴를 최후까지 절단할 수 없이 도중에 와이어 파단이 발생했으므로, 측정할 수 있었던 와이어 인발 저항과 슬러리의 고화 상태만을 나타내고 있다. 비교예 3, 4는 각각 2회 도중에 와이어 파단이 발생하고, 각각 1회 실리콘 주괴를 접착 고정하고 있는 유리 절단 중에 와이어가 파단되었다.

웨이퍼로서 잘라낼 수 있었던 실시예 1에 대해서는, 다른 평가 항목에 3회의 실험치 중 최악치를 나타냈다. 비교예 3, 4에 대해서는, 웨이퍼로서 잘라낼 수 있었던 실험에 있어서의 측정치를 나타냈다. 와이어 마모율은 사용 전의 와이어 단면적에 대한 실리콘 주괴 절단 완료 후의 와이어 단면적의 감소율을 나타낸다. 슬러리의 점도 상승률은 실리콘 주괴 절단 개시 전의 슬러리 점도에 대한 절단 완료 후의 슬러리 점도의 상승률을 나타낸다. 슬러리의 고화 유무는 실리콘 주괴 절단 중에 슬러리 덩어리가 생겼는지 여부를 나타낸다.

웨이퍼의 두께 격차는, 실리콘 주괴 절단에 있어서의 와이어 변위에 의한 것과 알칼리성 슬러리에 관해서는, 절단 종료부에서의 에칭 작용에 따른 용거에 의한 것이 있지만, 이들을 구별하지 않고, 2개의 실리콘 주괴의 양단부와 중앙부로부터 잘라내어지는 웨이퍼를 각각 5장, 총 30장 빼내어, 웨이퍼 1장당 4모퉁이와 그 사이와 중앙의 총 9점의 두께를 측정하여, 총계 270점의 데이터로부터 산출한 표준 편차를 나타낸다. 웨이퍼 표면의 요철은 표면의 미소한 기복이나 소우 마크(saw mark)에 의한 요철의 단차의 대소의 정도를 나타낸다. 요철 대(大)를 품질 불량으로 하고, 요철 무(無)는 시인할 수 없는 정도를 나타낸다. 웨이퍼 표층의 크랙 깊이는 웨이퍼 표면의 요철이 비교적 큰 부분에서 쪼개고, 이 부분의 단면을 SEM 관찰한 결과이다. 크랙 깊이 0㎛란 표면 오목부로부터 하층에 이르는 금을 시인할 수 없었던 것을 나타낸다.

비교예 3(알칼리성 슬러리)은 비교예 4(중성 슬러리)에 비하여 와이어의 인발 저항이 작아 실시예 1과 마찬가지의 효과를 얻고 있지만, 인발 저항의 변동이 크다. 또한 슬러리의 점도 상승률이 현저하게 커서, 슬러리의 고화 및 고화한 슬러리 덩어리와 액상의 분리가 보였다. 비교예 3은 실시예 1보다도 웨이퍼 두께 격차가 작고 또한 마찬가지로 표층부에 크랙이 없고, 와이어의 마모율도 작아, 이 점에서는 양호하지만, 슬러리의 성상이 현저하게 불안정하며, 와이어 인발 저항의 변동률이 큰 것으로부터도 절단에 있어서의 연마 입자의 작용이 불안정하다는 것을 알 수 있다. 실시예 1은 슬러리의 알칼리화의 효과를 얻음과 아울러 와이어 파단도 없이 안정한 절단을 실현하여, 모든 평가 항목에서 양호한 결과를 얻고 있다.

다음으로 실시예 1의 슬러리 성분의 비율을 변화시켜, 상기 안정한 실리콘 주괴 절단을 실현할 수 있는 성분비를 검토했다. 와이어의 인발 저항과 와이어의 마모율, 웨이퍼의 표층의 크랙 깊이는 상관이 인정되므로, 평가 항목은 와이어 파단의 유무 및 인발 저항, 슬러리의 점도 상승률 및 고화의 유무, 웨이퍼 표면의 요철 및 두께 격차로 했다. 각 항목의 평가 방법은 상기 표 1과 같다. 슬러리 중의 연마 입자와 연마 입자 이외의 성분의 질량비는 1:1로 하고, 글리세린과 수산화나트륨과 물의 함유율을 변화시켜, 상기와 같은 절단 실험을 실시한 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터, 수산화나트륨의 함유율이 적으면 와이어의 인발 저항이 커짐을 알 수 있다. 비교예 5(수산화나트륨 함유율 1질량%)에서는 상기 표 1의 비교예 4(중성 슬러리)와 와이어의 인발 저항이 큰 차가 없어, 슬러리의 알칼리화의 효과가 얻어지고 있지 않다. 비교예 12(수산화나트륨 함유율 1질량%)에서는 알칼리의 작용이 너무 강하여, 절단 개시부의 웨이퍼의 용거가 진행되어, 웨이퍼의 두께 격차가 증대하고 있다. 다른 평가 항목도 나쁜 결과로 되어 있다. 웨이퍼 표면 요철이 보이지 않는 것은 알칼리 에칭 작용의 영향이라고 생각된다.

또한 글리세린의 함유율이 높은 쪽이 비교적 와이어의 인발 저항이 작고, 그 격차가 작지만, 글리세린의 함유율이 높으면 슬러리 점도의 상승률이 높다. 글리세린 함유율이 높은 것은 슬러리 조합시의 점도 자체가 높으므로, 비교예 9, 11에서, 와이어가 파단되지 않고 있지만 슬러리 점도 상승률이 100%를 넘어, 슬러리의 고화(겔화)가 인정되어 슬러리의 성상이 불안정하다.

비교예 6에서는 와이어의 인발 저항의 평균치가 비교예 5에 비하여 낮아져 있어, 슬러리의 알칼리화의 효과를 볼 수 있지만, 인발 저항의 격차가 크고, 또한 다른 항목의 평가 결과도 나빠, 불안정한 실리콘 주괴 절단으로 되고 있다. 같은 수산화나트륨의 함유율이고 글리세린의 함유율이 높은 실시예 2, 3에서 안정한 실리콘 주괴 절단을 얻을 수 있지만, 보다 글리세린의 함유율이 높은 비교예 7에서, 슬러리 점도 상승률이 100%를 넘어, 슬러리의 고화(겔화)가 인정되어 슬러리의 성상이 불안정하다.

비교예 8, 9, 10에서는 슬러리의 고화가 보이고, 비교예 8은 웨이퍼 표면 요철이 크고, 와이어의 인발 저항도 안정되어 있지 않다. 비교예 10은 웨이퍼 표면 요철이 허용할 수 없을 정도로 크고, 와이어의 인발 저항도 안정되어 있지 않다. 비교예 9는 비교예 5 내지 12 중에서 가장 평가 결과가 좋지만, 슬러리의 점도 상승률이 100%를 넘고 있어, 슬러리의 성상이 불안정하다. 실시예 4, 5에서는 실시예 2, 3과 동등 이상의 결과가 얻어졌다.

이상으로부터, 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량%의 범위로 함유함으로써, 슬러리의 알칼리화의 효과를 얻음과 아울러 와이어 파단도 없이 안정한 절단을 실현하여, 모든 평가 항목에서 양호한 결과를 얻을 수 있다.

실시형태 2.

본 발명에 따른 제 2 실리콘 주괴 절단용 슬러리는, 실시형태 1에서 설명한 슬러리에 비이온 고분자 계면 활성제를 소량 첨가함으로써 태양 전지용 웨이퍼의 판 두께 불균일을 대폭 축소할 수 있도록 한 것이다. 즉, 상술한 바와 같이, 와이어가 절단 방향으로 진행하여 절단 홈을 형성하여 가면, 절단 홈에 상시 슬러리가 공급되고 있으므로 에칭 작용에 의해 주괴의 절단 개시부는 절단 종료부보다도 절단 방향과 직각을 이루는 방향(웨이퍼의 판 두께 방향)으로 용거가 진행된다. 절단 계면에서의 화학적 작용을 감소시키는 일 없이 이 절단이 끝난 부분의 용거를 막기 위해 여러 가지의 계면 활성제를 검토한 결과, 비이온 고분자 계면 활성제를 적량 첨가함으로써, 허용할 수 있는 범위 내에서의 화학적 작용의 감소로, 절단이 끝난 부분의 용거를 대폭 억제할 수 있다는 것을 알았다.

다음으로 상기 실시예 1의 슬러리에 비이온 고분자 계면 활성제를 첨가하여, 실리콘 주괴 절단 중인 웨이퍼의 절단 개시 부분의 용거량 억제 효과를 검증했다. 각종 계면 활성제를 비커 실험으로 검토한 결과, 비이온 고분자 계면 활성제로서 아사히덴카공업사 제품 아데카플로닉 L31이 최적이었으므로 이것을 사용했다. 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 수산화나트륨을 4질량%, 글리세린을 40질량%로 하여, 비이온 고분자 계면 활성제의 첨가량을 늘린(이것과 같은 양의 물을 감량한) 것에, 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체와 동질량의 SiC 연마 입자(후지미 인코포레이티드사 제품, GC#1500)를 가하여 교반한 슬러리를 제작하고, 상기와 같은 절단 실험을 실시하여 와이어 인발 저항과 웨이퍼의 두께 격차를 평가한 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3으로부터, 계면 활성제 농도가 증가하면 와이어의 인발 저항도 증가하고, 1.0질량%에서는, 와이어 인발 저항의 격차를 고려하면 상기 비교예 4의 중성 슬러리를 이용했을 때와 같은 정도의 값이 되어 슬러리의 알칼리화의 효과를 얻을 수 없게 되어, 0.9질량%가 첨가 한계라는 것을 알 수 있다. 첨가 농도가 0.1질량%이면, 실리콘 주괴 절단 중의 웨이퍼의 절단 개시 부분의 용거량 억제 효과를 얻을 수 없고, 0.2질량%에서 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 제 2 실리콘 주괴 절단용 슬러리는, 연마 입자 및 염기성 물질, 물을 함유하는 실리콘 주괴 절삭용 슬러리에 있어서, 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량%, 비이온 고분자 계면 활성제를 0.2질량% 내지 0.9질량% 함유하는 것이며, 이에 따라 절단 계면에서의 화학적 작용을 감소시키는 일 없이 이 절단이 끝난 부분의 용거를 억제할 수 있다.

본 발명의 각종 변형 또는 변경은, 관련된 숙련 기술자가 본 발명의 범위와 정신을 일탈하지 않는 범위에서 실현 가능하고, 본 명세서에 기재된 각 실시형태로는 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (8)

1. 연마 입자, 염기성 물질 및 물을 함유하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리에 있어서, 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리.
2. 연마 입자, 염기성 물질 및 물을 함유하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리에 있어서, 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량%, 비이온 고분자 계면 활성제를 0.2질량% 내지 0.9질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴 절삭용 슬러리.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   연마 입자로서, 탄화규소, 산화세륨, 다이아몬드, 질화붕소, 산화알루미늄, 산화지르코늄 및 이산화규소 중 어느 하나를 단독으로 또는 2종 이상을 조합시켜 이용한 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   연마 입자의 평균 입자 직경은 5㎛ 내지 20㎛이며, 연마 입자의 함유량은 실 리콘 주괴 절삭용 슬러리 전체의 질량에 대한 비율로서 40질량% 내지 60질량%인 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   염기성 물질로서, 알칼리 금속 수산화물 또는 알칼리 토류 수산화물을 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴 절단용 슬러리.
6. 연마 입자 및 염기성 물질을 함유하는 슬러리에 의해 실리콘 주괴를 절단하는 방법에 있어서, 상기 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량% 함유하는 것을 슬러리로서 이용한 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴를 절단하는 방법.
7. 연마 입자 및 염기성 물질을 함유하는 슬러리에 의해 실리콘 주괴를 절단하는 방법에 있어서, 상기 슬러리 중의 연마 입자를 제외한 성분 전체의 질량에 대한 비율로서, 염기성 물질을 2질량% 내지 6질량%, 글리세린을 25질량% 내지 55질량%, 비이온 고분자 계면 활성제를 0.2질량% 내지 0.9질량% 함유하는 것을 슬러리로서 이용한 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴를 절단하는 방법.
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   절단 장치로서 멀티 와이어 소우(multi wire saw)를 사용하여 태양 전지용 웨이퍼를 제조하는 것을 특징으로 하는 실리콘 주괴를 절단하는 방법.

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