(57)【要約】【課題】半導体インゴットを切断する際に生じる摩擦熱を吸収し、切断精度、面粗度の悪化、マイクロクラックの発生を抑制することのできる半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】砥粒を固着させたワイヤー３を移動走行させるとともに、このワイヤー３の上方から半導体インゴット１を押しつけて、この半導体インゴット１を切断して半導体基板を形成する半導体基板の製造方法であって、少なくとも、半導体インゴット１の頂部側と、この半導体インゴット１にワイヤー３が切り込む入口部側及び出口部側と、に冷却用のクーラント液を供給しながら、この半導体インゴット１を切断するようにした。【選択図】図３
2006239795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砥粒を固着させたワイヤーを移動走行させるとともに、このワイヤーの上方から半導体インゴットを押しつけて、この半導体インゴットを切断して半導体基板を形成する半導体基板の製造方法であって、
少なくとも、前記半導体インゴットの頂部側と、この半導体インゴットに前記ワイヤーが切り込む入口部側及び出口部側と、に冷却用のクーラント液を供給しながら、この半導体インゴットを切断するようにした半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記半導体インゴットの頂部側はスライスベースに取り付けられ、このスライスベースを介して、前記クーラント液が供給されるようにした請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記半導体インゴットは、その切断面が矩形である請求項１又は請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砥粒を固着させたワイヤーを用いて半導体インゴットを切断し、半導体基板を製造する半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多結晶シリコン等で太陽電池用半導体基板を形成する場合、例えば鋳造法によって多結晶シリコンのインゴットを形成し、このインゴットを所定の寸法に切断して半導体インゴットを形成し、この半導体インゴットをエポキシ系等の接着剤によってガラスやカーボン材もしくは樹脂製のスライスベースに接着した後、所定の厚みとなるように複数枚に切断して形成していた。
【０００３】
このように切断する方法としては、外周刃や内周刃等を使用する切断方法やワイヤーソーを用いた切断方法が知られている。特にワイヤーソーを用いた切断方法は、外周刃や内周刃等を使用する方法と比べて、多数の半導体インゴットを同時に切断することができ、切断精度が高く、カーフロス（切断ロス）も少ないため好適に用いられている。
【０００４】
図６に通常用いられているワイヤーソー装置を用いた切断方法を示す。図６に示すように、スライスベース２と接着した半導体インゴット１を設置して、砥粒をメッキもしくは樹脂等で固着させた直径約８０〜２００μｍのピアノ線等からなる一本のワイヤー３をワイヤー供給リール７からメインローラー５上に設けられた一定間隔でワイヤー３がはまる多数の溝に巻きつけて互いに平行に配置させる。そして、２本のメインローラー５間に複数本張られたワイヤー３を高速で移動走行させながら、一本又は複数の半導体インゴット１をワイヤー３に向けて徐々に下降させて半導体インゴット１に押しつけることによって半導体インゴット１を切断し、半導体基板を作製する。
【０００５】
なお、ワイヤーソーによる切断方法としては、ここで示した砥粒固着ワイヤーを用いる方法の他に、ＳｉＣ等の砥粒をオイル又は水等に混ぜてスラリーとし、このスラリーを通常のワイヤー（ピアノ線）へ供給し切削する遊離砥粒ワイヤーソーが知られている。
【０００６】
遊離砥粒ワイヤーを用いる切断方法は、ワイヤー周囲に付着した砥粒と、スラリーの粘性と高速で走るワイヤーの慣性で持ち込まれる砥粒が存在するため、ワイヤー線径と砥粒粒径から算出される以上の切代となってしまうという問題があるが、砥粒固着ワイヤーを用いる切断方法によれば、ワイヤーの周囲にある砥粒粒径が決まっており、それ以上の砥粒等の持ち込みがないため、切削性が高くカーフロスもより少なくできるという利点がある。
【特許文献１】特開２０００−２９６４５５号公報
【特許文献２】特開２０００−１５８３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ワイヤーソーによる切断方法は、以上のような利点を有するが、ワイヤーを高速に走行させながら半導体インゴットに押し当て、半導体インゴットを切断すると切断部分で摩擦熱が生じ、摩擦熱により半導体インゴットの切断部分が高温になると、切断精度が悪化したり、形成された半導体基板にマイクロクラック等が生じる問題がある。
【０００８】
この問題に対して、砥粒固着ワイヤーソーを用いたワイヤーソー装置では、半導体インゴットを切断する際に生じる摩擦熱を吸収するために、半導体インゴットとワイヤーとの接触部分に直接、オイル又は水を主とするクーラント液を供給する方法が示されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００９】
しかしながら、太陽電池等に用いられる半導体基板は、一般的に矩形のものが多く、直方体の半導体インゴットをスライスして形成される。特に、１０ｍｍ角以上の大型化した直方体の半導体インゴットを砥粒固着ワイヤーで切断する場合、切断精度が悪化したり、形成された半導体基板にマイクロクラック等が生じてしまうという問題を解消することができなかった。
【００１０】
この理由として発明者が検討した結果、次のような事実を知見した。特許文献１に示されている方法は、円柱状の半導体インゴットを切断する場合であって、ワイヤーによる切断距離が一定でなく、インゴット切断開始時、終了時においては切断距離は短くなる。そのため、半導体インゴットとワイヤーとの接触部分に直接、クーラント液を供給することにより摩擦熱を吸収することができる。しかしながら、矩形の大型化した半導体インゴットを切断する場合、常に切断距離が変わらないため切断部分に持ち込まれたクーラント液の冷却能が落ち、特にワイヤーの出口付近で充分に摩擦熱を吸収することができないという問題が生じるのである。
【００１１】
なお、特許文献２では、図７に示されるようにワイヤー３の下方に載置した半導体インゴット１を上昇させて切断しているため、クーラント液が切断面に供給されることになり、上記問題が解決されると予想される。しかし、発明者が検討したところ、矩形の大型化した半導体インゴットを切断する場合、切断が進むにつれて半導体インゴットの切断された部分が溝状になるため、供給されたクーラント液が溜まり、クーラント液の圧力により高速走行しているワイヤーにぶれが生じて面粗度が悪化してしまうという問題が生じることがわかった。
【００１２】
そこで、クーラント液の冷却能を上昇させて、半導体インゴットの冷却性を上げるためにクーラント液を低温にすることを試みたが、ワイヤー３が過冷却となり熱疲労によってかえってワイヤー３の寿命が低下する恐れがあることが判明した。また、クーラント液の流量を大きくすることも試みたが、クーラント液の圧力により高速走行しているワイヤーにぶれが生じるため面粗度が悪化してしまう可能性が強いことも判明した。
【００１３】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、半導体インゴットを切断する際に生じる摩擦熱を吸収し、切断精度、面粗度の悪化、マイクロクラックの発生を抑制することのできる半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る半導体基板の製造方法は、砥粒を固着させたワイヤーを移動走行させるとともに、このワイヤーの上方から半導体インゴットを押しつけて、この半導体インゴットを切断して半導体基板を形成する半導体基板の製造方法であって、少なくとも、前記半導体インゴットの頂部側と、この半導体インゴットに前記ワイヤーが切り込む入口部側及び出口部側と、に冷却用のクーラント液を供給しながら、この半導体インゴットを切断するようにした。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る半導体基板の製造方法は、請求項１に記載の半導体基板の製造方法において、前記半導体インゴットの頂部側はスライスベースに取り付けられ、このスライスベースを介して、前記クーラント液が供給されるようにした。
【００１６】
また、本発明の請求項３に係る半導体基板の製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の半導体基板の製造方法において、前記半導体インゴットは、その切断面が矩形である。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように、本発明の半導体基板の製造方法によれば、砥粒を固着させたワイヤーを移動走行させるとともに、このワイヤーの上方から半導体インゴットを押しつけて、この半導体インゴットを切断して半導体基板を形成する半導体基板の製造方法であって、少なくとも、半導体インゴットの頂部側と、この半導体インゴットに前記ワイヤーが切り込む入口部側及び出口部側と、に冷却用のクーラント液を供給しながら、この半導体インゴットを切断するようにしたので、半導体インゴットの頂部から冷却用のクーラント液が半導体インゴットの全体を覆うように供給されて、半導体インゴット全体が効率よく冷却される。その結果、切断部分で生じる摩擦熱が効率よく吸収されるので、切断精度の悪化が防止され、形成された半導体基板にマイクロクラック等が生じるといった問題を抑制することができる。
【００１８】
さらに、供給されるクーラント液を低温にしても、クーラント液は半導体インゴットから熱を奪いながら、半導体インゴット側面を伝ってワイヤーに到達するため、ワイヤーが過冷却にならず熱疲労を抑えてワイヤーの寿命の低下を防止することができる。
【００１９】
また、ワイヤーの上方から半導体インゴットを下降させて、ワイヤーに押しつけて切断しているため、切断された部分に供給されたクーラント液が溜まることが少ない。そして、クーラント液が切断面に直接供給されないため、高速走行するワイヤーにぶれを生じることが少なくなり、面粗度が悪化するといった問題も減少させることができる。
【００２０】
また、半導体インゴットの頂部側はスライスベースに取り付けられ、このスライスベースを介して、クーラント液が供給されるような構成にすれば、半導体インゴットを安定して保持した状態で切断できるとともに、半導体インゴットの形状に左右されることなく、クーラント液を再現性よく安定した状態で供給できるようになり、安定した品質で半導体基板を製造することができる。
【００２１】
以上のような本発明に係る半導体基板の製造方法は、クーラント液の冷却効果を十分に発揮できるから、特に切断面が矩形となっている半導体インゴットのように、最初から最後まで切断長さが変わらない被切断物を対象とした場合に、その効果を十分に奏するものとなる。したがって、太陽電池素子用に好適に用いられる直方体形状の大型化した半導体インゴットを切断するときに、マイクロクラック等の発生を抑制し、高品質な半導体基板を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２３】
図１に、本発明の半導体基板の製造方法に係るワイヤーソー装置の斜視図を示し、図２に、半導体インゴットをワイヤーソー装置で切断する場合のワイヤーとの位置関係を示す。図中、１は半導体インゴット、２はスライスベース、３は砥粒を固着させたワイヤー、４はクーラント液の供給ノズル、５はメインローラー、６はディップ槽、７はワイヤー供給リール、８は端材巻き込み防止板である。
【００２４】
被切断対象となる直方体の半導体インゴット１は、例えば鋳造法等によって形成された多結晶シリコンのインゴットを所定の寸法、例えば１５０×１５０×３００ｍｍの直方体に切り出したもの等で構成される。これらの半導体インゴット１は、カーボン材もしくはガラス、樹脂等の材質からなるスライスベース２上に１本又は複数本配置され、接着剤などによって接着されている。
【００２５】
ワイヤー３は、例えば、直径８０〜２００μｍ程度を有する鉄又は鉄合金を主成分とするピアノ線にダイヤモンドもしくはＳｉＣで形成された平均粒径１０〜２０μｍの砥粒が例えばニッケルや銅・クロムによるメッキにて固着されているか、もしくはレジン等の樹脂接着剤によって固着されたものである。ワイヤー３はワイヤー供給リール７から供給され、後述するメインローラー５上に設けられた所定間隔の溝に巻きつけ配列される。
【００２６】
メインローラー５は、例えばウレタンゴム等からなり、その表面に所定間隔でワイヤー３がはまる多数の溝が形成されている。この溝の間隔とワイヤー５の直径との関係によって、最終製品である半導体基板の厚みが定まる。
【００２７】
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を移動走行させることができ、通常、４００〜８００ｍ／ｍｉｎ程度となるように高速に移動走行される。
【００２８】
このようにして、切断用の砥粒を固着させたワイヤー３を高速で移動走行させつつ、ワイヤー３の上方から半導体インゴット１を徐々に下降させてワイヤー３に押しつけることによって、半導体インゴット１は切断され、複数の半導体基板を得ることができる。なお、端材巻き込み防止板８は、切断中に落下するかもしれない半導体基板の端材がメインローラー５へ巻き込むのを防止するために設けられ、もし防ぎきれなかったときのためにディップ槽６が設けられている。なお、ディップ槽６は、切削中の切粉やクーラント液の回収の目的をも有している。
【００２９】
図３に図１に記載のワイヤーソー装置を用いて、本発明の半導体基板の製造方法を実施して半導体インゴットを切断する模式図を示す。本発明の半導体基板の製造方法を実現するため、ワイヤーソー装置は、クーラント液供給ノズル４を半導体インゴット上部に設け、このクーラント液供給ノズル４から冷却用のクーラント液を、少なくとも、半導体インゴット１の頂部側と、半導体インゴット１にワイヤー３が切り込む入口側及び出口側に供給しながら、半導体インゴット１を切断するようにしている。図３に示すように、半導体インゴット１が直方体形状の場合、ワイヤー３が切り込む入口側及び出口側は、ワイヤー３の走行方向に対して直交する、半導体インゴット１の対向する二面となる。
【００３０】
このような本発明の構成によれば、切断部分にクーラント液を供給して摩擦熱を吸収するのではなく、半導体インゴット１の頂部からクーラント液が供給されるので、インゴット全体を冷却することが可能となる。特に、半導体インゴットがシリコンの場合、シリコンの熱伝導率は約８０（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）と大きいため、半導体インゴット全体を充分に冷却することができ、半導体インゴット１の切断部分で生じる摩擦熱を効率よく吸収し半導体インゴットの温度上昇を抑えることができる。その結果、切断精度の悪化を防止し、形成された半導体基板にマイクロクラック等が生じるといった問題を抑制することができる。
【００３１】
また、直方体形状の半導体インゴット１を用いる場合、ワイヤー３の進行方向に対して垂直な半導体インゴット１の両側面にクーラント液が供給され、半導体インゴット１から熱を奪いながら、半導体インゴット１の側面を伝って、摩擦熱により温度が上昇したワイヤー３に到達し冷却する。
【００３２】
また、半導体インゴット１とワイヤー３との接触部分に直接、クーラント液を供給した場合、半導体インゴット１の冷却性を上げるためにクーラント液を低温にするとワイヤー３が過冷却となり熱疲労によってかえってワイヤー３の寿命が低下する可能性があったが、本発明の場合には、クーラント液を低温にしてもクーラント液は半導体インゴット１から熱を奪った状態でワイヤー３を通過するため、ワイヤーが過冷却にならず熱疲労を抑え、ワイヤー３の寿命の低下を防止し、効率良く半導体インゴット１を冷却することができる。
【００３３】
また、ワイヤー３の上方から半導体インゴット１を下降させて、ワイヤー３に押しつけて切断しているため、切断された部分に供給されたクーラント液が溜まることが少ない。そして、クーラント液が切断面に直接供給されないため、クーラント液の流量を大きくしても高速走行するワイヤー３にぶれを生じることが少なくなり、面粗度が悪化するといった問題も減少させることができる。
【００３４】
クーラント液としては、オイル又は水が用いられるが、冷却性や環境に対する影響を考慮すると水のほうが好ましく、５〜３０℃の範囲で使用される。また、ワイヤー等の錆を抑えるためにクーラント液には防錆剤を添加してもよい。また、供給されたクーラント液はディップ槽６に一旦貯蔵され、配管を循環し、クーラント液中に含まれる半導体インゴットの切粉等の不純物の除去、温度管理を行い、再度クーラント液供給ノズル４に供給されてもよい。
【００３５】
以上が本発明の基本構成の説明であり、次にさらに好ましい態様について説明する。
【００３６】
図１や図２に示すように、半導体インゴット１の頂部側はスライスベース２に取り付けるようにし、このスライスベース２を介して、クーラント液が供給されるようにすることが望ましい。スライスベース２は、厚みが１０〜３０ｍｍ程度であるため、クーラント液をスライスベース２にかけても充分に半導体インゴット１を冷却することが可能である。したがって、半導体インゴット１を安定して保持した状態で切断できるとともに、半導体インゴット１の形状に左右されることなく、クーラント液を再現性よく安定した状態で供給できるようになり、安定した品質で半導体基板を製造することができる。なお、冷却性を上げるために、クーラント液が直接、半導体インゴットの上部に供給されるように、スライスベース２にスリットを設けても構わない。
【００３７】
クーラント液供給ノズル４は半導体インゴットの上部に一つ設けてもよいが、クーラント液を半導体インゴット１に確実に供給するためには、複数箇所に設けた方が好ましく、例えば、図１に示すように半導体インゴットの両側面上部にクーラント液供給ノズル４を設けることが望ましい。図４に示すようにクーラント液供給ノズル４を、半導体インゴット１の頂部側と、半導体インゴット１にワイヤー３が切り込む入口側及び出口側にそれぞれ対応させた三カ所に設けることが望ましい。
【００３８】
さらに、半導体インゴットの四つすべての側面にクーラント液を供給し、半導体インゴットを切断する方がより好ましい。例えば、図５に示されるように半導体インゴット１の周囲を囲むようにクーラント液供給ノズルを設置することによって、半導体インゴットの四つすべての側面にクーラント液が供給されるため、より効果的に半導体インゴット全体を冷却し、半導体インゴット１の切断部分で生じる摩擦熱を効率よく吸収して温度上昇を抑えることができる。
【００３９】
以上のような本発明に係る半導体基板の製造方法は、クーラント液の冷却効果を十分に発揮できるから、特に切断面が矩形となっている半導体インゴットのように、最初から最後まで切断長さが変わらない被切断物、例えば、太陽電池素子用の直方体形状の大型化したシリコンインゴットを切断するのに適している。円柱状の半導体インゴットに比べ常に切断距離が長く、図７に示すような従来のようにワイヤーと平行に配設されたクーラント液供給ノズルより水平方向に半導体インゴットへクーラント液を吹き付けた場合には充分に摩擦熱を吸収することができないが、本発明の方法を用いることで半導体インゴット全体を冷却して、充分に摩擦熱を吸収することができるからである。
【００４０】
なお本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
【００４１】
例えば、半導体インゴットのワイヤー進入方向に効率的にクーラント液を供給するために半導体インゴット１を傾斜させて設けても構わない。
【００４２】
また、半導体インゴットの頂部側と、半導体インゴットにワイヤーが切り込む入口側及び出口側とにクーラント液が供給される限り、クーラント液供給ノズルの位置や本数に限定されるものではない。
【００４３】
さらに、上述の説明では、複数のワイヤーを所定間隔に配置して半導体インゴットを切断するマルチワイヤーソー装置を用いて本発明の半導体基板の製造方法を行う例によって説明したが、これに限るものではなく、一本のワイヤーによって切断加工を行うシングルタイプのワイヤーソー装置を用いても、本発明の半導体基板の製造方法を用いることができ、発明の効果を良好に奏する。
【実施例】
【００４４】
まず、１５０ｍｍ角＊Ｌ＝３００ｍｍの半導体インゴット１として、多結晶シリコンインゴットを準備し、スライスベース２に接着する。そして、スライスベース２に接着した半導体シリコンインゴット１の試料を、図１に示される本発明の半導体基板の製造方法に係るワイヤーソー装置に１本セットし、半導体インゴット１の頂部側と、この半導体インゴット１にワイヤー３が切り込む入口部側及び出口部側にクーラント液が供給されるように図４に示される位置にクーラント液供給ノズル４を設けた。また、ワイヤー３は、１８０μｍの直径を有するピアノ線に平均粒径１０μｍのダイヤモンド砥粒をニッケルメッキにて固着させた砥粒固着ワイヤーを使用した。
【００４５】
その後、クーラント液供給ノズル４によりスライスベース２とワイヤー３の進行方向に対して垂直な半導体インゴットの両側面に水を主成分とするクーラント液を供給しながら、半導体インゴット１を下方に移動させつつ７００ｍ／ｍｉｎで高速走行しているワイヤー３に押し当てて切断し、洗浄して厚さが３００μｍの半導体基板を形成した。
【００４６】
また、比較例として図６に示されるワイヤーソー装置に多結晶シリコンからなる半導体インゴットを１本セットし、半導体インゴット１の切断付近にクーラント液供給ノズル４を設けた。また、ワイヤーソー装置に用いられるワイヤー３は、１８０μｍの直径を有するピアノ線に平均粒径１０μｍのダイヤモンド砥粒をニッケルメッキにて固着させた砥粒固着ワイヤーを使用した。そして、半導体インゴット１とワイヤー３との接触部分に直接、クーラント液を供給しながら、半導体インゴット１を下方に移動させて７００ｍ／ｍｉｎで高速走行しているワイヤー３に押し当てて切断し、洗浄して厚さが３００μｍの半導体基板を形成した。
【００４７】
実施例、比較例ともにクーラント液の流量を６０〜１４０Ｌ／ｍｉｎに変化させたときにおける、面粗度（表面粗さＲａ、スライスされた半導体基板１枚の厚みバラツキＴＴＶ、うねりＷＣＭ）について測定を行った。表１にそれぞれのクーラント液の流量における結果を示す。また、Ｒａ、ＴＴＶ、ＷＣＭは半導体インゴット１本の平均値を示す。なお、ＲａはＪＩＳ  Ｂ０６０１（２００１）で定義される算術平均粗さであり、ＴＴＶは半導体基板の平坦度を示す尺度の１つで、基板裏面を基準として基板表面の最高点から最低点のまでの距離を表したものであり、ＷＣＭはＪＩＳ  Ｂ０６１０で定義されるろ波最大うねりである。
【表１】
2006239795.tif 000003
【００４８】
表１より、表面粗さＲａ、スライスされた半導体基板一枚の厚みバラツキＴＴＶ、うねりＷＣＭはそれぞれのクーラント液の流量において、実施例のワイヤーソー装置によりスライスして得られた半導体基板の方が比較例に比べ良好な面粗度が得られた。
【００４９】
また、クーラント液の流量を大きくすることによって、半導体インゴットの冷却性が向上するため、比較例、実施例において良好な面粗度（Ｒａ、ＴＴＶ、ＷＣＭ）が得られるが、クーラント液の流量を１２０、１４０Ｌ／ｍｉｎと大きくした場合、比較例では高速走行するワイヤーにぶれが生じるため、面粗度はクーラント液の流量が１００Ｌ／ｍｉｎのときと変わらないか、又は悪化した。これに対して、本発明に係る実施例においては、ワイヤーがぶれることなく、半導体インゴットを効率良く冷却するため、さらに良好な面粗度が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の半導体基板の製造方法に係るワイヤーソー装置を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の半導体基板の製造方法において、スライスベースと接着した半導体インゴットと、切断用のワイヤーとの位置関係を示す図である。
【図３】図１に示したワイヤーソー装置を用いて本発明の半導体の製造方法を説明する模式図である。
【図４】ワイヤーソー装置の別の例を用いて、本発明の半導体の製造方法を説明する模式図である。
【図５】本発明に係るクーラント液供給ノズルと半導体インゴットの位置関係を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】従来のワイヤーソー装置の一例を示す概略図である。
【図７】従来のワイヤーソー装置の他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：半導体インゴット
２：スライスベース
３：ワイヤー
４：クーラント液供給ノズル
５：メインローラー
６：ディップ槽
７：ワイヤー供給リール
８：端材巻き込み防止板
【図１】
2006239795.tif 000004
【図２】
2006239795.tif 000005
【図３】
2006239795.tif 000006
【図４】
2006239795.tif 000007
【図５】
2006239795.tif 000008
【図６】
2006239795.tif 000009
【図７】
2006239795.tif 000010