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引言
為了進(jìn)一步增加太陽(yáng)能電池的普及率，降低太陽(yáng)能電池板的成本變得很重要。在晶體Si系太陽(yáng)能電池板中，Si晶圓的材料成本和制造成本占整個(gè)電池板的成本的比例不少。通過(guò)將金剛石磨粒附著在線材上的金剛石線材進(jìn)行固定磨粒切割的方法正在普及。 切出的Si晶圓表面發(fā)生損傷，切斷槽寬度（卡洛斯）的降低有界限等問(wèn)題。
在這樣的背景下，作為不依靠機(jī)械加工的新Si的切斷技術(shù)，正在討論放電加工和電解加工，等離子蝕刻等加工技術(shù)的應(yīng)用1―3）。作為不依靠機(jī)械加工的切片法之一，筆者們開(kāi)發(fā)了利用濕法蝕刻的新切斷技術(shù)“蝕刻援用切片”4）。
該加工技術(shù)的特征是，在蝕刻液（蝕刻劑）中行進(jìn)的金屬絲，通過(guò)與Si錠接觸進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以化學(xué)作用為主體進(jìn)行加工。本報(bào)告將利用開(kāi)發(fā)的加工技術(shù)對(duì)單晶Si進(jìn)行加工，并介紹其加工特性和加工面質(zhì)量。
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實(shí)驗(yàn)
由于濕法蝕刻通常是各向同性蝕刻，因此即使在Si表面上施加掩模，蝕刻劑也會(huì)侵入掩模的下部，從而產(chǎn)生底切通常很難進(jìn)行加工。另一方面，在濕法蝕刻中，如果能夠在抑制溝的寬度方向的蝕刻速度的同時(shí)，促進(jìn)深度方向的蝕刻速度，就可以實(shí)現(xiàn)各向異性的加工。
? ? ? 因此， 向Si錠提供蝕刻劑， 設(shè)想了用行進(jìn)的金屬絲摩擦鑄錠的加工方法。在Si鑄錠和金屬金屬絲的接觸點(diǎn)，通過(guò)產(chǎn)生摩擦熱和引入新鮮的蝕刻劑等，可以提高向深度方向的蝕刻速度。另一方面，通過(guò)蝕刻劑組成的最優(yōu)化，研究了溝寬方向的蝕刻的抑制。
? ? ? 如果能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的加工方法，由于是基于化學(xué)作用的材料去除，在金剛石金屬絲切斷時(shí)不會(huì)對(duì)成為問(wèn)題的切斷面產(chǎn)生機(jī)械損傷，可以進(jìn)行加工。另外，與金剛石金屬絲相比，由于可以降低工具金屬絲的負(fù)荷，因此可以通過(guò)使用細(xì)金屬絲來(lái)降低卡洛斯等優(yōu)點(diǎn)。在Si的濕法蝕刻中，多使用KOH和TMAH等的堿溶液，以及硝酸和氫氟酸（氫氟酸）的混合酸--硝基氫氟酸。其中，硝基氫氟酸的晶體方位依賴性小，可以得到實(shí)用的蝕刻速度（最大800μm/min）5）等，因此選擇了本加工技術(shù)中的蝕刻劑
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圖4 線速度（運(yùn)行速度）與加工速度的關(guān)系
? ? ? 如圖4所示，隨著鋼絲運(yùn)行速度的增加，加工速度也幾乎成比例地增加，最大可以得到120μm/min的加工速度。根據(jù)上述結(jié)果，決定蝕刻劑的組成為硝酸濃度40 wt%，氫氟酸濃度4 wt%，用不同線徑的線進(jìn)行加工時(shí)，顯示的是卡牙線，如圖5所示?？ㄑ谰€依賴于線徑，顯示出比線徑大10μm左右的值。
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圖5 線徑和線牙線的關(guān)系
? ? ? 整個(gè)加工槽中卡牙線基本固定，從圖5插入圖的切面觀察來(lái)看如圖所示，即使在溝的入口部也不會(huì)擴(kuò)大，具有高長(zhǎng)寬比。如上所述，盡管使用了一般為各向同性蝕刻的氟硝酸，但在開(kāi)發(fā)的加工技術(shù)中卻變成了各向異性蝕刻，實(shí)現(xiàn)了高長(zhǎng)寬比的加工。
? ? ? 氟硝酸的Si蝕刻，如下式所示，通過(guò)硝酸對(duì)Si表面的氧化（式（1））和氟酸對(duì)氧化膜的溶解（式（2））進(jìn)行反應(yīng)。Si+4HNO3→3SiO2+4NO+2H2O（1）SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O（2）硝酸濃度高。 氫氟酸濃度低的蝕刻劑中， Si的氧化速度足夠大， 氫氟酸對(duì)氧化膜的溶解速度較小，這就是限速過(guò)程。因此，導(dǎo)線接觸部以外的蝕刻速度（也就是溝寬方向的蝕刻速度）變小。另一方面，在導(dǎo)線和Si的接觸點(diǎn)，可以預(yù)想到Si表面生成的氧化膜會(huì)通過(guò)與導(dǎo)線的摩擦而被除去。另外，在與導(dǎo)線的接觸點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，氧化膜的溶解速度會(huì)增加。在蝕刻過(guò)程中，Si表面生成的NO氣體和H2SiF6等反應(yīng)生成物會(huì)妨礙蝕刻。在導(dǎo)線的附近，由于導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)，蝕刻劑會(huì)被攪拌，而在遠(yuǎn)離導(dǎo)線的部分，蝕刻劑會(huì)滯留，反應(yīng)生成物不會(huì)被除去，蝕刻速度會(huì)顯著降低。
因此，相對(duì)于加工槽的寬度方向的蝕刻速度度小到可以忽略不計(jì)，與此相對(duì)，深度方向的蝕刻速度足夠大，可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了各向異性的蝕刻。另一方面，如果提高氫氟酸濃度，氧化膜的去除速度就會(huì)提高，鋼絲摩擦點(diǎn)以外的蝕刻速度也會(huì)變大，結(jié)果導(dǎo)致了卡洛斯的增大
為了在本技術(shù)中改善加工面粗糙度， 對(duì)蝕刻劑組成進(jìn)行了探討。在Si的氟硝酸蝕刻中， 通過(guò)在稀釋劑（氫氟酸和硝酸以外的成分）中添加醋酸， 有報(bào)告指出可以改善表面粗糙度。如果用光學(xué)顯微鏡觀察各個(gè)加工面的話， 在不添加醋酸的情況下，觀察到了大小為數(shù)十μm的橢圓形結(jié)構(gòu)。這是用氟硝酸進(jìn)行Si蝕刻時(shí)所看到的典型結(jié)構(gòu)，有報(bào)告稱其起因是蝕刻劑中的活性反應(yīng)種（亞硝基鎓離子，NO+）不均分布在Si表面7）。
隨著醋酸濃度的增加，該橢圓形結(jié)構(gòu)的大小變小，在醋酸濃度最高的蝕刻劑中幾乎沒(méi)有觀察到。這是因?yàn)樘砑哟姿嵋种屏宋g刻劑中反應(yīng)種的不均分布。另外，評(píng)價(jià)了向蝕刻劑中添加醋酸對(duì)加工特性的影響的結(jié)果，加工速度以及碳牙線是醋酸濃無(wú)論程度如何，都顯示出基本恒定的值，確認(rèn)了添加醋酸不會(huì)對(duì)加工特性產(chǎn)生不良影響。
如上所述，通過(guò)在蝕刻劑的稀釋液中使用醋酸，可以改善加工表面粗糙度，而不會(huì)使加工特性惡化，并且可以獲得與金剛石線加工表面基本相同的表面粗糙度。
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結(jié)果和討論
在本報(bào)告中，介紹了利用濕法蝕刻的新Si切片法。與以往的機(jī)械加工切片不同，最大的特征是可以在無(wú)損傷的情況下進(jìn)行加工。另一方面，提高加工速度和處理含有氫氟酸的有害蝕刻劑成為課題?，F(xiàn)在，通過(guò)賦予某種能量，試圖解決上述課題。