JP2017071074A - 内部加工層形成単結晶基板の製造方法、および、単結晶基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶基板からそれよりも小さい寸法の単結晶基板を得ることを可能にする内部加工層形成単結晶基板の製造方法、および、単結晶基板の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】レーザ光を集光するレーザ集光手段を、加工対象単結晶基板１０の被照射面２０ｔ上に非接触に配置する第１工程と、レーザ集光手段により加工対象単結晶基板１０内部にレーザ光を集光しつつ、レーザ光の集光位置を加工対象単結晶基板１０のくり抜き対象部２４の周囲方向に変化させることで、破断強度が低下した加工層２１をくり抜き対象部２４の周囲に形成する第２工程と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、単結晶基板の表面から単結晶基板内部にレーザ光を集光することで、単結晶基板内部に加工層を形成した内部加工層形成単結晶基板の製造方法、および、単結晶基板の製造方法に関する。

従来、単結晶のシリコン（Ｓｉ）ウエハに代表される半導体ウエハを製造する場合には、石英るつぼ内に溶融されたシリコン融液から凝固した円柱形のインゴットを適切な長さのブロックに切断して、その周縁部を目標の直径になるよう研削し、その後、ブロック化されたインゴットをワイヤソーによりウエハ形にスライスして半導体ウエハを製造するようにしている。

このようにして製造された半導体ウエハは、前工程で回路パターンの形成等、各種の処理が順次施されて後工程に供され、この後工程で裏面がバックグラインド処理されて薄片化が図られることにより、厚さが約７５０μｍから１００μｍ以下、例えば７５μｍや５０μｍ程度に調整される。

従来における半導体ウエハは、以上のように製造され、インゴットがワイヤソーにより切断され、しかも、切断の際にワイヤソーの太さ以上の切り代が必要となるので、厚さ０．１ｍｍ以下の薄い半導体ウエハを製造することが非常に困難であり、製品率も向上しないという問題がある。

一方、集光レンズでレーザ光の集光点をインゴット（ウエハ）の内部に合わせ、そのレーザ光でインゴットを相対的に走査することにより、インゴットの内部に多光子吸収による面状の改質層（加工層）を形成し、この改質層を剥離面としてインゴットの一部を基板として剥離することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、この明細書中においては、別記する場合を除いてウエハのことを適宜に基板と称する。

特開２０１１−１６７７１８号公報

ところで、単結晶基板の寸法が使用予定の寸法よりも大きい場合、この単結晶基板を小さい寸法にして再利用することができれば効率的である。

本発明は、上記課題に鑑み、単結晶基板からそれよりも小さい寸法の単結晶基板を得ることを可能にする内部加工層形成単結晶基板の製造方法、および、単結晶基板の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様によれば、レーザ光を集光するレーザ集光手段を、加工対象単結晶基板の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、前記レーザ集光手段により前記加工対象単結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、レーザ光の集光位置を前記加工対象単結晶基板のくり抜き対象部の周囲方向に変化させることで、破断強度が低下した加工層を前記くり抜き対象部の周囲に形成する第２工程と、を備えた内部加工層形成単結晶基板の製造方法が提供される。

本発明の別の態様によれば、レーザ光を集光するレーザ集光手段を、加工対象単結晶基板の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、前記レーザ集光手段により前記加工対象単結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、レーザ光の集光位置を前記加工対象単結晶基板のくり抜き対象部の周囲方向に変化させることで、破断強度が低下した加工層を前記くり抜き対象部の周囲に形成する第２工程と、前記加工層から破断させて前記くり抜き対象部をくり抜く第３工程と、を備えたことを特徴とする単結晶基板の製造方法が提供される。

本発明によれば、単結晶基板からそれよりも小さい寸法の単結晶基板を得ることを可能にする内部加工層形成単結晶基板の製造方法、および、単結晶基板の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態で内部加工層形成単結晶基板を製造することを説明する模式的な側面図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の一実施形態で内部加工層形成単結晶基板を製造するプロセスを説明する模式的な側面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態で内部加工層が形成されていくことを示す模式的な側面断面図である。 本発明の一実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことを説明する模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことの変形例を説明する模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことの変形例を説明する模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことの変形例を説明する模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板の変形例で、複数の単結晶基板を得るための加工状態を示す模式的な平面図である。 実験例の加工条件１で得られた内部加工層形成単結晶部材の断面を示す写真図である。 実験例の加工条件４で得られた内部加工層形成単結晶部材の断面を示す写真図である。 実験例の加工条件３と同じ条件でレーザ光を照射し、くり抜いて得られたウエハを示す平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、すでに説明したものと同一または類似の構成要素には同一または類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、用紙を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）で内部加工層形成単結晶基板を製造することを説明する模式的な側面図である。図２（ａ）から（ｃ）は、本実施形態で内部加工層形成単結晶基板を製造するプロセスを説明する模式定な側面図である。図３(ａ)および(ｂ)は、それぞれ、本実施形態で内部加工層が形成されていくことを示す模式的な側面断面図である。図４は、本実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことを説明する模式的な斜視図である。図５は、本実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことの変形例を説明する模式的な斜視図である。図６は、本実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことの変形例を説明する模式的な斜視図である。図７は、本実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜くことの変形例を説明する模式的な斜視図である。図８は、本実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板の変形例で、複数の単結晶基板を得るための加工状態を示す模式的な平面図である。図９は、実験例の加工条件１で得られた内部加工層形成単結晶部材の断面を示す写真図である。図１０は、実験例の加工条件４で得られた内部加工層形成単結晶部材の断面を示す写真図である。

図１〜図５に示すように、本実施形態に係る内部加工層形成単結晶基板２０は、パルス状のレーザ光Ｂを加工対象単結晶基板１０の被照射面２０ｔから照射し単結晶基板内部で集光することで、この被照射面２０ｔから離間しかつこの被照射面２０ｔから基板の厚さ方向に円筒状（図４参照）またはテーパ状（円錐台状。図５参照）に広がる加工層２１と、その加工層２１の周囲外側および周囲内側に隣接する非加工部２２とを有する。この非加工部２２は、加工層２１の内側であるくり抜き対象部２４を有する。

加工層２１には、レーザ光Ｂの集光によって形成された加工痕２１ｃが加工層２１に、一定の間隔で規則的に配列されている。

本実施形態では、以下のようにして内部加工層形成単結晶基板２０を製造する。レーザ集光手段としては、例えば図１に示すレーザ加工装置１２ｍを配置する。このレーザ加工装置１２ｍは、レーザ発振器、集光器を順次備え、またＸＹステージおよび回転ステージを備えている。また、集光器は複数のレンズが組み合わされた組レンズとなっており、集光性が高くされている。

ここで、Ｚ方向は、レーザ加工装置１２ｍにおけるレーザ光の集光方向であり、かつ、加工対象単結晶基板１０の厚み方向となっている。そしてＸ方向はＺ方向に直交する方向であり、加工対象単結晶基板１０の半径方向となる。また加工対象単結晶基板１０は、例えば円盤状のシリコンウエハである。加工対象単結晶基板１０を保持する基板ホルダーは回転可能であり、加工対象単結晶基板１０をその中心軸まわりに一定の回転速度で回転差あせることが可能となっている。

ＸＹステージで移動させるものは加工単結晶基板１０であるが、レーザ光の照射側を移動させることも可能である。

（内部加工層単結晶基板の製造方法）
内部加工層単結晶基板２０を製造するには、図１に示すように、レーザ加工装置１２ｍを、加工対象単結晶基板１０の被照射面上に非接触に配置する工程を行う（第１工程）。なお、本明細書で加工対象単結晶基板とは、３次元形状の立体的な単結晶部材のうちの基板状部分も含む概念である。

そして、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、回転ステージ上に固定、配置された加工対象単結晶基板１０を回転ステージの回転数で回転させつつレーザ光Ｂを照射することで、加工対象単結晶基板１０の内部にレーザ光Ｂを集光しつつ、レーザ光Ｂの集光位置を加工対象単結晶基板１０のくり抜き対象部の周囲方向に変化させることで、破断強度が低下した加工層２１をくり抜き対象部の周囲に形成する工程を行う（第２工程）。この時レーザ光Ｂは、例えばパルス幅が１μｓ以下のパルスレーザ光からなり、３００ｎｍ以上の波長が選択され、例えば加工対象単結晶基板１０がシリコンウエハの場合は、１０００ｎｍ以上の波長のＹＡＧレーザ等が好適に使用される。

以下、内部加工層を形成する手順を詳細に説明する。図２（ａ）ではレーザ光Ｂ照射面とは反対側の加工対象単結晶基板１０の裏面（底面）側から照射を開始し、レーザ光Ｂの集光位置を、くり抜き対象部の周囲方向に変化させつつ徐々にレーザ光斜面側（Ｚ軸方向）へ移動させていく。このＺ軸方向への移動方法は集光器Ｇあるいは回転ステージＳの少なくとも一方を移動すればよい。加工対象単結晶基板１０の裏面（底面）側への最初の集光位置は、レーザ光Ｂの照射により形成される加工層２１が加工対象単結晶基板１０の裏面(底面)の表面に亀裂やアブレーションなどのダメージを与えない位置に設定することが望ましい。これは内部加工層形成単結晶基板から単結晶基板をくり抜く際に、クラックや割れなどの不具合発生を防止するためである。

加工痕２１ｃを形成する間隔は、基板平面方向はレーザ光Ｂの発振繰り返し周波数と回転ステージの回転速度すなわち周速との関係で決定され、高さ（深さ）方向は集光位置のＺ軸方向の移動量により決定される。加工層２１は上記のように所定間隔にレーザ光Ｂを照射して、加工痕２１ｃが連続した加工領域として形成された領域として得られる。

レーザ光Ｂの照射手順としては、回転ステージ上に固定、配置した加工対象単結晶部材１０内部のＺ軸方向の位置を決定後に、先ず同心円の外径に沿ってにレーザ光Ｂを少なくとも１回転照射した後、レーザ加工装置１２ｍ方向のＺ軸方向に集光位置を移動してレーザ光Ｂを同様にて同心円の外径に沿って照射する。この時Ｚ軸方向への集光位置の移動は、加工対象単結晶部材１０の厚さ方向に対して垂直あるいはテーパ状に移動することにより、加工層２１は垂直状あるいはテーパ状に形成することができる。

この一連の動作を加工対象単結晶基板１０の表面近傍まで行うことにより、図２（ｃ）、図４に示すように加工層２１が得られる。この時、加工対象単結晶基板１０の表面近傍とは、レーザ光Ｂの集光位置から表面方向にクラックが延びて表面まで加工クラックが到達することで、加工クラックによってくり抜き加工が可能となる位置であり、しかも、該表面にレーザ光Ｂの照射による該表面に加工痕や亀裂あるいはアブレーションなどの状態が生じない位置である。

加工対象単結晶基板１０の内部にレーザ光Ｂを照射すると集光によって生じる温度上昇に伴い加工痕は集光点から加工単結晶基板１０の表面方向に向かって延びることが分かっている。この温度上昇に伴う加工痕の延伸は単結晶基板１０内部の加工痕が一定状態で形成されず、特に加工対象単結晶基板１０の結晶方位方向に亀裂が生じてしまい、本発明の目的であるくり抜き加工において結晶方位方向への割れや破損が生じる。

従って、本発明おけるレーザ加工においては、上記した温度上昇を影響のない程度に抑制する必要がある。そのため、本発明では加工対象単結晶部材１０の深さ方向に集光点を移動させることは好ましくない。

また、必要に応じて加工対象単結晶基板１０を冷却することも可能である。

以上説明したように、本実施形態により、加工対象単結晶基板１０からそれよりも小さい寸法の単結晶基板２６を得ることを可能にする内部加工層形成単結晶基板２６を製造することができる。そして、くり抜き対象部２４のテーパ内側の面（図２では被照射面２０ｔ）側を力Ｆで押圧する等を行い、内部加工層形成単結晶基板２０からくり抜き対象部２４をくり抜くことで単結晶基板２６が得られる。なお、単結晶基板２６の外周面には、必要に応じて研磨等の加工を行う。

従って、本実施形態では、単結晶基板の寸法が使用予定の寸法よりも大きい場合、この単結晶基板を加工対象単結晶基板１０とし、加工対象単結晶基板１０よりも小さい寸法の単結晶基板２６を得ることで加工対象単結晶基板１０を再利用することができ、資源の有効活用が図られる。

レーザ光Ｂは、例えばパルス幅が１μｓ以下のパルスレーザ光からなり、９００ｎｍ以上の波長、好ましくは１０００ｎｍ以上の波長が選択され、ＹＡＧレーザ等が好適に使用される。

なお、図３(ａ)および(ｂ)では、加工層２１には加工痕２１ｃが一列に配置されているように描いているが、実際には、加工層２１には複数の加工痕２１ｃが散りばめられていてもよい。これにより、くり抜き対象部２４を内部加工層形成単結晶基板２０からくり抜く際の作業が更に容易になる。また、加工対象単結晶基板１０の表面近傍である該表面にレーザ光Ｂの照射による該表面に加工痕や亀裂あるいはアブレーションなどの状態が生じないような照射となるように、本実施形態では、レーザ光Ｂの集光位置を、くり抜き対象部の周囲方向に変化させつつ徐々にレーザ光斜面側（Ｚ軸方向）へ移動させている。

また、第２工程後、あるいは第２工程中に、被照射面側または被照射面とは反対面側に、加工層２１へのクラックを発生し易くする切欠２８（図６、図７参照）を形成してもよい。これにより、切欠２８を広げるように内部加工層形成単結晶基板２０に力を加えると、切欠２８を起点としてから加工層２１へ応力が伝わり、基板表面にチッピングなどによる割れなどを発生させずに単結晶基板２６を得ることができる。

この場合、切欠２８を加工層２１に隣接する位置に形成すると、切欠２８から発生したクラック３０によって、加工層２１の隣接する加工痕２１ｃ同士で順次クラックが発生して行き易い。

切欠２８は、レーザ集光手段１２により加工痕２１ｃを追加形成したものであっても良いし、他の形成手段で形成してもよい。

また、加工痕２１ｃを形成する位置が被照射面２０ｔに近くなるに従い、レーザ出力を徐々に低下させると、くり抜き対象部２４を良好な形状でくり抜く上で好ましい。

１枚の加工対象単結晶基板１０から複数の単結晶基板２６をくり抜くことも可能である（例えば４枚の単結晶基板をくり抜く例として図８参照）。この場合、目的とする単結晶基板２０の寸法に応じて加工層２１を形成すればよく、その方法としては集光部１２を回転させてＺ軸方向へ移動させる方式などが採用できる。

＜実験例＞
回転ステージ上に加工対象単結晶部材１０として直径１５０ｍｍ、厚さ６２５μｍの単結晶シリコンウエハ（結晶方位（１００）、鏡面）を吸着盤にて吸着固定し、加工対象単結晶基板１０の同心円として直径１００ｍｍの単結晶基板２６を得るために、内部加工層形成単結晶基板を作製した。なお、本実験例では、集光装置に収差補正環を備えさせ、条件１〜４において調整量を０．６ｍｍとした。

ここで、ドットピッチとは加工痕２１ｓの円周方向のピッチのことであり回転ステージ上で加工する場合は周速と周波数との関係から任意に設定することができる。また、ラインピッチとは、図１で示したＺ方向（内部加工層形成単結晶基板２０の厚み方向）のピッチのことである。

またデフォーカス量とは、加工対象単結晶基板１０の表面を基準（０）として集光位置を加工対象単結晶基板１０の内部（裏面）方向への集光位置の移動量であり、マイナス表記は内部方向を表す。

本発明者は、加工層２１を形成する際のレーザ光の照射条件を検討するために、加工条件１〜４の条件で、厚み６２５μｍのシリコンウエハに、レーザ加工装置１２ｍからレーザ光Ｂをデフォーカス量（μｍ）：−１５６〜０ で照射して加工層２１を形成した。そして、加工層２１の断面を電子顕微鏡で観察し、比較的良好な断面形状であることを確認した（例えば、図９、図１０参照）。

さらに本発明者は、加工条件３を用いて、厚み６２５μｍ、直径１５０ｍｍのシリコンウエハに、レーザ加工装置１２ｍからレーザ光Ｂを以下の条件で照射して厚さ方向の平均直径が３０ｍｍ径となるように加工層２１を形成した。更に、被照射面２０ｔ付近の加工痕２１ｃの周辺にガラス切りで切欠状の加工を加え、ウエハのくり抜きを行い、図１１に示すウエハを得た。

なお、この時のデフォーカス量は−１３６μｍ〜２０μｍであり、内部加工層の深さ方向の上限はウエハ表面から１１０μｍの位置にあり、レーザ照射によるウエハ表面のダメージは生じなかった。

なお、本実施形態では、加工層２１の外形や内形を円状以外（例えば四角状）とすることも可能である。

また、加工痕２１ｃを形成する際、隣接する加工痕２１ｃ同士の間にクラックが順次発生するように形成しても良いし、遅れ破壊のように少し時間をおいてから加工痕２１ｃ同士を繋ぐクラックが発生するように形成してもよい。これにより、くり抜き対象部２４を極めて容易にくり抜くことができる。

本発明により、単結晶基板からそれよりも小さい寸法の単結晶基板を得ることを可能にすることから、薄く切り出された単結晶基板は、Ｓｉ基板（シリコン基板）であれば、太陽電池に応用可能であり、また、ＳｉＣなどであれば、ＳｉＣ系パワーデバイスなどに応用可能であり、透明エレクトロニクス分野、照明分野、ハイブリッド／電気自動車分野など幅広い分野において適用可能である。

１０ 加工対象単結晶基板
１２ レーザ集光手段
１２ｍ レーザ加工装置
２０ 内部加工層形成単結晶基板
２０ｔ 被照射面
２１ 加工層
２１ｃ 加工痕
２４ くり抜き対象部
２６ 単結晶基板
２８ 切欠
３０ クラック
Ｂ レーザ光

Claims (6)

1. レーザ光を集光するレーザ集光手段を、加工対象単結晶基板の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、
   前記レーザ集光手段により前記加工対象単結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、レーザ光の集光位置を前記加工対象単結晶基板のくり抜き対象部の周囲方向に変化させることで、破断強度が低下した加工層を前記くり抜き対象部の周囲に形成する第２工程と、
   を備えたことを特徴とする内部加工層形成単結晶基板の製造方法。
2. 前記被照射面側または前記被照射面とは反対面側に、前記加工層へのクラックを発生し易くする切欠を形成することを特徴とする請求項１記載の内部加工層形成単結晶基板の製造方法。
3. 前記切欠を前記加工層に隣接する位置に形成することを特徴とする請求項２記載の内部加工層形成単結晶基板の製造方法。
4. 前記加工層の内側面および外側面の少なくとも一方をテーパ状に形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の内部加工層形成単結晶基板の製造方法。
5. レーザ光を集光するレーザ集光手段を、加工対象単結晶基板の被照射面上に非接触に配置する第１工程と、
   前記レーザ集光手段により前記加工対象単結晶基板内部にレーザ光を集光しつつ、レーザ光の集光位置を前記加工対象単結晶基板のくり抜き対象部の周囲方向に変化させることで、破断強度が低下した加工層を前記くり抜き対象部の周囲に形成する第２工程と、
   前記加工層から破断させて前記くり抜き対象部をくり抜く第３工程と、
   を備えたことを特徴とする単結晶基板の製造方法。
6. 前記第３工程を行う前に、前記被照射面側または前記被照射面とは反対面側に、前記加工層へのクラックを発生し易くする切欠を形成し、
   前記第３工程では、前記切欠を広げるように力を加えることで前記クラックを発生させることを特徴とする請求項５に記載の単結晶基板の製造方法。