JP5355249B2

JP5355249B2 - ワイヤーソー装置

Info

Publication number: JP5355249B2
Application number: JP2009154336A
Authority: JP
Inventors: 聡川村; 孝昭西澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: JP2011005617A

Description

本発明は、半導体材料等のワークに対し、ワイヤーを用いて切断や溝入れ等の加工を施すためのワイヤーソー装置に関する。

例えば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にし、この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る。

このようなワイヤーソー装置のワイヤーは、供給リールからガイドローラによってメインローラまで案内されてメインローラに巻きつけられワイヤー列とされている。また、メインローラから伸びるワイヤーは、ガイドローラによって巻取リールまで案内され、巻取リールに巻き取られる。

ワイヤーソー装置によるスライス方法には、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。例えば、下記特許文献１には、メインローラに複数設けられた溝が、ワイヤーを外周下部において接触支持する断面テーパ状の傾斜溝底面を有し、溝間には仕切壁を突設するとともに、それらの仕切壁の両側には、傾斜溝側面を、ワイヤーの外周両側部に隙間を介し対向する傾斜溝底面よりも小さい開口角度で形成することが開示されている。

特開２００１−７９７４８号公報

しかしながら、上述したワイヤーソー装置では、線径が小さい砥粒固着ワイヤーを使用すると、走行するワイヤーのぶれが大きくなるため、作製された半導体基板等の表面にスライス痕やうねりが生じ、スライス不良が多発する可能性がある。また、特許文献１に記載された構成においては、２段階で溝を加工する必要があり、加工が複雑となる。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであり、スライス不良が低減された信頼性の高いワイヤーソー装置を提供することを目的とする。

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、かつ平均直径Dの
ワイヤーと、前記ワイヤーが巻かれた複数の溝を表面に有するメインローラと、を備え、前記溝の断面形状が台形であり、前記溝の開口角度Ａが３０度以上３８度以下であり、前記溝の底面の長さをＢとした場合、Ｂ／Ｄが下記式を満足することを特徴とする。
（１／ｃｏｓ（Ａ／２）−ｔａｎ（Ａ／２））＜Ｂ／Ｄ≦０．８００
なお、ここでＢ／Ｄの有効数字は小数点以下３桁までとする。

本発明に係るワイヤーソー装置は、上述した構成により、線径が小さい砥粒固着ワイヤーを使用しても走行するワイヤーのぶれを低減することができ、作製された半導体基板等のワーク表面のスライス痕やうねりの発生を低減し、スライス不良を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図であり、ワイヤーソー装置を構成するメインローラの溝形状を示す拡大断面図である。

以下に本発明に係るワイヤーソーの一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態のワイヤーソー装置は、表面に砥粒が固着され、平均直径Dのワイヤー３と、ワイヤー３が巻きつけられる複数の溝５ａを表面に有するメインローラ５と、を備える。

図２に示すように、溝５ａの断面形状は台形であり、かつワイヤー３が溝５ａの底面および溝５ａの２つの斜面のそれぞれに接している。これにより、安定してワイヤーを支持することができる。または、溝５ａの開口角度Ａが３０度以上３８度以下であり、溝５ａの底面の幅をＢとした場合、（１／ｃｏｓ（Ａ／２）−ｔａｎ（Ａ／２））＜Ｂ／Ｄ≦０．８００とする。ここで、ワイヤー３の平均直径Dとは、ワイヤー３の任意の１０箇所において３方向から砥粒を含めた直径を測定し、その平均値とする。ここで、（１／ｃｏｓ（Ａ／２）−ｔａｎ（Ａ／２））＝Ｂ／Ｄは、ワイヤー３が溝５ａの底面と斜面とが接触する条件である。なお、Ｂ／Ｄの有効数字は小数点以下３桁までとする。

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

ブロック１はインゴットの端部等を切断することで形成される。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等からなる。より具体的には、単結晶シリコンのインゴットが用いられた場合、そのインゴットは円柱形状である。また、多結晶シリコンのインゴットは一般的に略直方体であり、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おり、シリコンブロックは断面形状が矩形（正方形を含む）であって、例えば１５６×１５６×３００ｍｍの直方体に形成される。

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。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、リアクレート系またはワックスなどの接着剤からなり、スライス後、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。そして、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本また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、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や銅・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。砥粒の平均粒径は、５μｍ以上３０μｍ以下とした方がよく、Ｄは１１０μｍ以上２１０μｍ以下となり、より好ましくはＤが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クーラント液が供給される。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とを含み、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、直径１５０以上５００ｍｍ以下、長さ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。この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。本実施形態の溝の形状については後述する。

ワイヤー３の下方には、切断時に発生するブロックの切屑やクーラント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、またメインローラ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、エーテル系もしく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。

本実施形態のワイヤーソー装置は、メインローラの溝５ａの断面形状が台形であり、また、溝５ａの開口角度Ａが３０度以上３８度以下であり、溝５ａの底面の長さをＢとした場合、ワイヤーの平均直径Dとの比Ｂ／Ｄが（１／ｃｏｓ（Ａ／２）−ｔａｎ（Ａ／２））＜Ｂ／Ｄ≦０．８００の関係を満足する。これにより、線径が小さい、例えば、平均直径１７０μｍ以下の砥粒固着ワイヤーを使用しても、走行するワイヤーのぶれを低減することができ、作製された半導体基板表面のスライス痕やうねりの発生を低減し、スライス不良を低減することができる。これはワイヤー３が表面に砥粒を固着した砥粒固着ワイヤーであり、砥粒の大きさにばらつきがあるために、ワイヤー３の断面形状が真円ではないことから、溝５ａの断面形状をＵ字やＶ字にするよりも台形とすることによりワイヤー３に不必要な応力がかからず、また、溝５ａ上に設けられたワイヤー３と溝側面との間隔を狭くすることによって、ワイヤーのぶれが低減できたと考えられる。

また、溝５ａの深さＣは、ワイヤー３の平均直径Ｄとの比Ｃ／Ｄが１．５以上１．８５以下とすることにより、溝と溝との間に形成された仕切壁５ｂの変形を低減しつつ、ワイヤー３が浮上して脱線することを抑制できる。さらに、仕切壁５ｂの上面幅Ｅを０．０５ｍｍ以上とすることにより、仕切壁５ｂの変形をさらに低減することができる。

以下に、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はブロック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。

ブロック１の切断は、高速に走行しているワイヤー３に向かってクーラント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）、ブロックを下降させる速度（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。

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２ｍｍ以上５ｍｍ以下程度に切断され、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、スライスベース２から剥離することで基板が完成する。

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。

＜実施例１＞
以下、より具体的な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、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。

次に、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た。そして、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＝１３０μｍ、砥粒粒径＝１５μｍ、平均直径Ｄ＝１６０μｍ）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、平均厚み２００μｍのシリコン基板を作製した。

ここで、メインローラの溝の断面形状が台形であり、溝の深さを０．２６ｍｍとした。溝の開口角度Ａと、溝の底面の長さをＢとした場合、ワイヤーの平均直径Dとの比Ｂ／Ｄとを表1に示す各種条件において、スライスした際におけるスライスの不良率を評価した。不良項目としては、スライス痕の有無、凹凸の有無およびうねりの有無であり、これら項目のうち１つでも該当するものがあれば不良と判断して、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に示す。なお、各開口角度Ａにおける（１／ｃｏｓ（Ａ／２）−ｔａｎ（Ａ／２））は３０度が０．７６７、３５度が０．７３３、３８度が０．７１３、４０度が０．７００である。

表１に示されるように、Ｎｏ．１〜２６の結果から、メインローラの溝の開口角度Ａが３０度以上３８度以下であり、溝の底面の長さをＢとした場合、ワイヤーの平均直径Dとの比Ｂ／Ｄが（１／ｃｏｓ（Ａ／２）−ｔａｎ（Ａ／２））＜Ｂ／Ｄ≦０．８００の関係を満たすことにより、スライス不良率が５％未満に低減することが確認された。

なお、開口角度Ａが３０度未満、例えば２５度のメインローラを用いた際には、ワイヤーが溝に巻くことができず、スライスすることができなかった。

１：ブロック
３：ワイヤー
５：メインローラ
７：供給リール
８：巻取リール

Claims

表面に砥粒が固着され、かつ平均直径Dのワイヤーと、
前記ワイヤーが巻かれた複数の溝を表面に有するメインローラと、を備え、
前記溝の断面形状が台形であり、前記溝の開口角度Ａが３０度以上３８度以下であり、前記溝の底面の長さをＢとした場合、Ｂ／Ｄが下記式を満足することを特徴とするワイヤーソー装置。
（１／ｃｏｓ（Ａ／２）−ｔａｎ（Ａ／２））＜Ｂ／Ｄ≦０．８００
前記溝の深さをＣとした場合、Ｃ／Ｄが１．５以上１．８５以下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。
前記溝間に形成された仕切壁の上面幅を０．０５ｍｍ以上とす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。