JP2015119076A - 内部加工層形成単結晶部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】剥離面の平坦性を確保しつつ加工時間の短縮化を図ることができる内部加工層形成単結晶部材およびそ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介して連続波のレーザ光Ｂをシリコンの単結晶部材１０の被照射面２０ｔから照射しつつ、単結晶部材１０とレーザ集光手段とを相対的に移動させることで、内部加工層形成単結晶部材１０は、単結晶部材１０内部に形成された加工層２１と、加工層２１の両面側にそれぞれ隣接する非加工層２２と、を有する。加工層２１には、レーザ光Ｂの走査方向Ｓに沿って形成された変質部が、隣り合う変質部同士の距離が所定値以下となるように配列されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶部材の被照射側の表面から単結晶部材内部にレーザ光を集光することで、単結晶部材内部に加工層を形成した内部加工層形成単結晶部材およびそ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。

また近年、次世代の半導体として、硬度が大きく、熱伝導率も高いシリコンカーバイド（ＳｉＣ）が注目されているが、ＳｉＣの場合には、Ｓｉよりも硬度が大きい関係上、インゴットをワイヤソーにより容易にスライスすることができず、また、バックグラインドによる基板の薄層化も容易ではない。

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

しかし、単結晶部材内部に改質層を形成する場合、１つのレーザパルスで１点（１つ）の加工痕を形成している。このため、その加工間隔である加工ピッチは、加工進行方向へのステージ移動速度とパルス周波数で決まる。また、この加工ピッチと、オフセット方向（加工進行方向に直交する方向）の間隔である加工オフセットと、によって、単結晶部材内部に形成される加工痕の数（加工数）が決まる。

仮に、加工ピッチを１μｍ、加工オフセットを２μｍとすると、１００ｍｍ角（一辺が１００ｍｍの正方形）の領域を加工するには５０億パルスのレーザ光を照射する必要がある。この場合、パルス周波数を１００ｋＨｚとするとステージ移動速度は１００ｍｍ／ｓとなり、５００００秒、すなわち１４時間という長大な加工時間が必要となる。

また、仮に、加工ピッチと加工オフセットとを広げて剥離可能な条件を見い出したとしても、隣り合う加工痕の間の領域ではレーザ光による加工（改質）がなされていない。このため、例えば単結晶部材の厚み方向の位置によって剥離する高さ位置が異なり、剥離面の平坦性が悪化することが考えられる。

本発明は、上記課題に鑑み、単結晶部材に形成した加工層から剥離させることで比較的大きくて薄い単結晶基板を形成するにあたり、剥離面の平坦性を確保しつつ加工時間の短縮化を図ることができる内部加工層形成単結晶部材およびそ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介して連続波のレーザ光をシリコンの単結晶部材の被照射面から照射しつつ、前記単結晶部材と前記レーザ集光手段とを相対的に移動させることで、前記単結晶部材内部に形成された加工層と、前記加工層の両面側にそれぞれ隣接する非加工部と、を備え、前記加工層には、レーザ光の走査方向に沿って形成された変質部が、隣り合う変質部同士の距離が所定値以下となるように配列されていることを特徴とする内部加工層形成単結晶が提供される。

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介してレーザ光をシリコンの単結晶部材の被照射面から照射しつつ、前記単結晶部材と前記レーザ集光手段とを相対的に移動させることで、前記単結晶部材内部に加工層を形成して前記単結晶部材を内部加工層形成単結晶部材とする内部加工層形成単結晶部材の製造方法であって、レーザ光として連続波のレーザ光を用い、レーザ光の走査方向に沿った変質部を所定範囲のオフセット間隔で形成していくことで前記加工層とすることを特徴とする内部加工層形成単結晶部材の製造方法が提供される。

本発明によれば、単結晶部材に形成した加工層から剥離させることで比較的大きくて薄い単結晶基板を形成するにあたり、剥離面の平坦性を確保しつつ加工時間の短縮化を図ることができる内部加工層形成単結晶部材およびそ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部材を製造することを説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の一実施形態で内部加工層形成単結晶部材を製造することを説明する模式的な側面断面図である。 本発明の一実施形態の内部加工層形成単結晶部材の模式的な側面断面図である。 本発明の一実施形態で、内部加工層形成単結晶部材を製造することを説明する側面図である。 本発明の一実施形態で、加工層から剥離させるためにシリコンウエハの両面に金属板を貼り付けたことを説明する側面図である。 実験例で、内部加工層形成単結晶部材の一例を説明する模式的な側面断面図である。 図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、比較例で、集光器から出射したレーザ光によって単結晶部材に加工層を形成することを説明する模式的な平面断面図および模式的な側面断面図である。

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、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

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、要旨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、レーザ集光手段により単結晶部材１０の被照射面（被照射側の表面）からレーザ光を集光して内部に加工層２１を形成していくことを説明する模式的な鳥瞰図である。図２は、レーザ光の照射により単結晶部材１０の内部に加工層２１を形成して内部加工層形成単結晶部材を形成することを説明する模式的な断面図である。図３は、本実施形態で製造された内部加工層形成単結晶部材２０の断面構造を説明する模式的な側面断面図である。図４は、本実施形態で、内部加工層形成単結晶部材を製造することを説明する側面図であり、本実施形態におけるレーザ加工装置の一例の全体図も示している。図５は、本実施形態で、加工層から剥離させるためにシリコンウエハの両面に金属板を貼り付けたことを説明する側面図である。図６は、実験例で、内部加工層形成単結晶部材の一例を説明する模式的な側面断面図である。

（概要説明）
本実施形態で製造する内部加工層形成単結晶部材２０は、連続波（ＣＷ）のレーザ光Ｂをシリコンの単結晶部材１０の被照射面２０ｔから集光することで、この被照射面２０ｔと離間しかつこの被照射面２０ｔと平行に延在する加工層２１と、その加工層２１の両面側にそれぞれ隣接する非加工層２２とを有する。

図３に示すように、加工層２１には、レーザ光Ｂの走査方向Ｓに沿って形成された変質部２１ｃが、隣り合う変質部２１ｃ同士の距離ｄが所定値以下となるように配列されている。ここで、所定値とは、加工層２１と非加工層２２とを剥離させる際に適正な平坦性を確保できる距離の上限値のことである。

内部加工層形成単結晶部材２０を製造して単結晶基板を得るには、レーザ集光手段として例えば集光器（組レンズ）７８により、調整した連続波のレーザ光Ｂを単結晶部材１０の被照射面２０ｔに照射して単結晶部材１０内部にレーザ光Ｂを集光することで集光部分の単結晶部材を変質（改質）させつつ、集光器７８と単結晶部材１０とを相対的に移動させることで、単結晶部材１０内部に、被照射面２０ｔと平行に延在する加工層２１を形成した内部加工層形成単結晶部材２０を製造する。

単結晶部材１０としては、レーザ光Ｂを照射する被照射面２０ｔ（第１面）と、被照射面２０ｔに平行であって被照射面２０ｔに照射したレーザ光Ｂが通過する光出射面２０ｓ（第２面）と、を有する部材を用いる。

加工層２１を形成することで内部加工層形成単結晶部材１０を製造した後、加工層２１から劈開させて剥離面（劈開面）を露出させる。そして、この剥離面（加工層露出面）をラッピング加工およびポリシング加工により研磨加工する。研磨加工は例えばラッピング・ポリシング装置を利用して行うことができる。

（詳細説明）
以下、本実施形態をより詳細に説明する。本実施形態では、図４に示すように、レーザ加工装置は、レーザ発振器７１、ズームエキスパンダ７２、アパーチャー７３、集光器７８を順次備え、また、ＸＹステージ８０を備えている。

レーザ発振器７１は、連続波のレーザ光Ｂを発生するレーザ装置であり、例えば、半導体レーザ励起ＹＡＧレーザである。また、集光器７８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、集光性能が高くされている。

本実施形態では、レーザ発振器７１からのレーザ光Ｂは、ビームエキスパンダ７２で所定の径にまで拡大させる。その後、反射ミラー（図示せず）により光路調整を行い、さらにアパーチャ７６を通過させることによってレーザ光周辺の不均一パワー部分の光を除去して均一パワーのレーザ光とし、集光器７８に入射させても良い。なお、アパーチャ７６の開口径は、アパーチャ７６通過後のレーザ光が回折光とならないように調整しておく。開口径がレーザ光Ｂのビーム径よりも大きすぎるとレーザ光Ｂの不均一パワー部分の光を除去することができず、逆に、開口径が小さ過ぎるとレーザ光Ｂが回折ビームとなってしまい均一パワーとならない。

レーザ光を照射する単結晶部材１０のサイズは、例えばφ３００ｍｍの厚いシリコンウエハＥからなり、レーザ光Ｂが照射される被照射面Ｅｔが予め平坦化されていることが好ましい。

レーザ光Ｂは、単結晶部材１０の周面ではなく、上記の被照射面２０ｔに集光器７８を介して照射される。このレーザ光Ｂは、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。

（作用、効果）
以下、本実施形態で内部加工層形成単結晶部材１０を製造することについて説明する。本実施形態では、単結晶部材１０をＸＹステージ８０上に載置し、真空チャック、静電チャックなどでこの単結晶部材１０を保持する。そして、ＸＹステージで単結晶部材１０をＸ方向やＹ方向に移動させることで、レーザ集光手段（ズームエキスパンダ７２、アパーチャ７３、および、集光器７８）と単結晶部材１０とを、単結晶部材１０の被照射面２０ｔに平行に相対的に移動させながら、レーザ発振器７１で発生したレーザ光Ｂを照射する。この結果、単結晶部材１０の内部に集光したレーザ光Ｂによって、レーザ光Ｂの走査方向Ｓに沿って連続した１本の変質部２１ｃが形成される。

その後、ＸＹステージ８０の移動により単結晶部材１０をオフセット方向Ｆへ所定範囲の加工オフセットｗ（図１参照）で移動させ、同様に、１本の連続した変質部２１ｃを走査方向Ｓに沿って形成する。これを順次繰り返すことで加工層２１を形成する。ここで、所定範囲の上限値は、加工層２１と非加工層２２とを剥離させる際に剥離面の適正な平坦性を確保できる値の上限値であり、所定範囲の下限値は、変質部２１ｃに隣接する変質部２１ｃを形成する際に、既に形成された変質部２１ｃにレーザ光Ｂが照射されることを回避できる下限値である。

本実施形態では、この変質部２１ｃを形成する際、加工オフセットｗ（オフセット間隔）を５〜２０μｍの範囲とすることが加工時間および加工層での剥離において好ましい範囲である。加工時間の点では加工オフセットｗは１０〜２０μｍの範囲がより好ましい範囲である。なお、レーザ光Ｂの走査速度を遅くすることや、レーザ光Ｂのパワーを上げることで、変質部２１ｃの幅（オフセット方向Ｆの幅）が大きくなる。従って、加工オフセットｗを、レーザ光Ｂの走査速度およびレーザ光Ｂの強度に基づいて設定することが好ましいが、改質層以外の非加工部の単結晶材品質に影響を与えないように設定することが必要である。

本実施形態では、加工層２１を形成していく際、連続波（ＣＷ）のレーザ光を照射することで走査方向Ｓは連続する変質部２１をオフセット方向Ｆにも拡がった状態で形成でき、またオフセット方向Ｆにｗの間隔で形成した隣接する加工層２１隣り合う加工層２１と連なった状態を形成できる。これは連続波（ＣＷ）により熱加工の効果が高いことが要因と考えられる。よって、レーザ光のオフセット方向Ｆに隣り合う加工層２１の加工オフセットｗを従来に比べて大幅に広くすることができるので、加工層２１の加工密度、すなわち加工層２１の形成数を大幅に低減させることができる。従って、加工層２１の加工時間が更に大幅に短縮され、内部加工層形成単結晶部材２０の製造効率が大きく向上する。また、剥離に必要な力も低減させることができる。加工層２１が形成された結果、加工層２１を挟んでレーザ光Ｂの照射方向とその反対側にそれぞれ非加工層２２が加工層２１に隣接して存在する。形成する加工層２１の寸法、などは、剥離し易くする観点で設定することが好ましい。

このように加工層２１を形成した内部加工層形成単結晶部材２０は、加工層２１から分断させた新たな単結晶部材を創成することができる。これは、加工層２１と非加工層２２との剥離により行う。本実施形態では、先ず、内部加工層形成単結晶部材２０の側面に加工層２１を露出させる。露出させるには、例えば、非加工層２２の所定の結晶面に沿ってへき開する。加工層２１が既に露出している場合や、加工層２１の周縁と内部加工層形成単結晶部材２０の側壁との距離が十分に短い場合には、この露出をさせる作業を省略することが可能である。

その後、図５に示すように、内部加工層形成単結晶部材２０の非加工層２２の表面である被照射面２０ｔに、金属製基板６１ａ、６１ｂを接着剤６３ａ、６３ｂで内部加工層形成単結晶部材２０を挟持するように接着固定する。金属製基板６１ａ、６１ｂとしては、例えば、ＳＵＳ製の板を用いる。接着剤６３ａ、６３ｂとしては、例えば、アクリル系２液モノマー成分からなる接着剤を用いる。

金属製基板６１ａ、６１ｂの接着後、金属製基板６１ａと金属製基板６１ｂとに互いに離れる方向の力をそれぞれ加えると加工層２１と非加工層２２で分断、剥離される。

加工層２１で剥離させるために金属製基板６１ａ、６１ｂに力を加える手法は、特に限定しない。例えば、内部加工層形成単結晶部材２０の側壁をエッチングして加工層２１に溝を形成し、この溝に楔状圧入材（例えばカッター刃）を圧入することで力を発生させてもよい。また、内部加工層形成単結晶部材２０に角方向から力を加えて、上方向の力成分と下方向の力成分とを発生させてもよい。さらには、金属製基板６１ａ、６１ｂをチャックにより挟持して、上下方向に適当な速度で引張ることにより剥離させることも可能である。

剥離後、この剥離面（加工層露出面）をラッピング加工およびポリシング加工により研磨加工する。研磨加工は例えばラッピング・ポリシング装置を利用して行うことができる。ラッピングでは研磨剤として粒径が１μｍから数１０μｍの遊離砥粒を潤滑剤に混ぜたスラリーをラップ定盤と上記の加工層露出面との間に入れ加工する。このときの遊離砥粒としてはコロイダルシリカ、アルミナ、微粒ダイヤモンド、酸化セリウムなどが利用できる。ポリシング加工では粒径１μｍ以下の微細な研磨剤が使用され、研磨パッドを定盤に貼りつけて加工層露出面を研磨加工する。

以上説明したように、本実施形態では、レーザ光Ｂとして、パルス状のレーザ光（パルスレーザ光）ではなく連続波（ＣＷ）のレーザ光Ｂを用い、単結晶部材１０内部にレーザ光Ｂを集光して変質部２１ｃを形成しつつ、単結晶部材１０に対してレーザ光Ｂを走査している。従って、変質部２１ｃがレーザ光Ｂの走査方向Ｓに沿って連続しており、加工ピッチという概念が不要となる上、加工層２１と非加工層２２との境界の面積が大幅に増える。

よって、パルスレーザ光で加工する場合に比べ、レーザ光の走査速度、すなわち、ＸＹステージ８０の移動速度を大幅に上げることができる。例えば、従来では１００mm／secあったＸＹステージ８０の移動速度を、その１０倍の１０００mm／secにすることができる。よって、加工層２１の形成にかかる時間を大幅に低減させることができ、内部加工層形成単結晶部材２０の製造効率が大きく向上する。また、剥離に必要な力も低減させることができる。

また、連続波のレーザ光Ｂを照射しているので、パルスレーザ光を照射する場合に比べて加工層２１の厚みを大幅に低減させることができる。従って、剥離面の研磨加工にかかる時間を短縮できるとともに、単結晶部材１０の削除量を小さくすることで単結晶部材１０を有効に利用することができる。また、非加工層２２を加工層２１から剥離させる際、加工層２１の最上部と最下部との間のすべての部分で剥離する可能性があるので、本実施形態により、剥離する厚さの管理が容易になる上、剥離面のうねりや段差を抑えることができる。

また、レーザ光Ｂの走査速度を遅くする（例えばパルスレーザ光を照射する場合と同等にまで遅くする）ことにより、変質部２１ｃの幅が広がる、すなわち、変質部２１ｃがオフセット方向Ｆに広がる。従って、加工オフセットｗを増大させることができ、加工層２１の形成にかかる時間を大幅に低減させることが可能になる。

なお、レーザ光Ｂの走査速度を遅くすることで隣り合う変質部２１ｃ同士を連続させて（つまり隣り合う変質部２１ｃ同士の距離ｄを０にして）、加工層２１を全て変質部２１ｃで構成させることが可能である（後述の図６参照）。このように加工層２１を全て変質部２１ｃで構成させることによって、剥離面の安定化、剥離に必要な力の低減化などの種々の効果を奏することができる。

また、本実施形態では、単結晶部材１０としてシリコンウエハＥを例に挙げて説明したが、単結晶部材１０がインゴット状であって、加工層２１を形成して被照射面２０ｔ側の非加工層を剥がすことを順次繰り返してもよく、単結晶部材１０の寸法は特に限定しない
＜実験例＞
本発明者は、実施例として、加工装置を用いて単結晶部材１０内部に加工層２１を形成した。なお、集光器７８のレンズは、レーザ光Ｂの通過で損傷が生じないように、レーザ光Ｂの出力に応じて選定した。照射条件を以下に示す。

光源（レーザ発振器） ：ファイバーレーザ
波長 ：１０６４ｎｍ
集光器のレンズのＮＡ ：０．８
発振形態 ：ＣＷ（連続波）
そして、この加工装置でレーザ出力とオフセット方向Ｆの間隔を変化させ、隣り合う変質部２１ｃ同士が連続し、かつ剥離状態との関係を求めた。結果を表1に示す。

また、本発明者は、比較例として、従来の加工装置を用い、図７に示すように、パルスレーザ光を照射して単結晶部材１０としてシリコンウエハ（直径：150ｍｍ、厚さ：６２５μｍ、結晶方位（１００）、表面：両鏡面）の内部に加工層を形成することを行った。この加工層は、パルスレーザ光の集光による変質部１２１ｃが、パルスレーザ光の走査方向Ｓおよびオフセット方向Ｆに配列されてなるものである。

照射条件は以下である。なお、加工ピッチｐは１μｍ、加工オフセットｗは２μｍとした。

光源（レーザ発振器） ：ファイバーレーザ
波長 ：１０６４ｎｍ
集光器のレンズのＮＡ ：０．８
発振形態 ：パルス発振
繰り返し周波数 ：１００ｋＨｚ
パルス幅 ：３０ｎｓ
そして、この加工装置でオフセット方向Ｆの間隔を変化させ、隣り合う加工層２１同士が連続し、かつ剥離状態との関係を求めた。結果を表２に示す。

加工層２１の連なり状態は、シリコンウエハの透過波長で顕微鏡観察することで確認することができる。また、単結晶部材をダイシングなどにより加工層２１のオフセット方向断面を露出させ、露出面をエッチング液でエッチングすることによっても確認可能である。

また、剥離面の表面粗さは光学顕微鏡（ＯＬＳ−４０００：オリンパス製）により測定した。

本発明により薄い単結晶基板を効率良く形成することができることから、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 単結晶部材
２０ 内部加工層形成単結晶部材
２０ｔ 被照射面
２１ 加工層
２１ｃ 変質部
２２ 非加工層（非加工部）
７２ ズームエキスパンダ（レーザ集光手段）
７３ アパーチャ（レーザ集光手段）
７８ 集光器（レーザ集光手段）
Ｂ レーザ光
ｄ 距離
Ｆ オフセット方向
Ｓ 走査方向
ｗ 加工オフセット（オフセット間隔）

Claims (4)

1. レーザ光を集光するレーザ集光手段を介して連続波のレーザ光をシリコンの単結晶部材の被照射面から照射しつつ、前記単結晶部材と前記レーザ集光手段とを相対的に移動させることで、前記単結晶部材内部に形成された加工層と、
   前記加工層の両面側にそれぞれ隣接する非加工部と、
   を備え、
   前記加工層には、レーザ光の走査方向に沿って形成された変質部が、隣り合う変質部同士の距離が所定値以下となるように配列されていることを特徴とする内部加工層形成単結晶部材。
2. 隣り合う前記変質部同士が前記変質部の幅方向に連続してい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部材。
3. レーザ光を集光するレーザ集光手段を介してレーザ光をシリコンの単結晶部材の被照射面から照射しつつ、前記単結晶部材と前記レーザ集光手段とを相対的に移動させることで、前記単結晶部材内部に加工層を形成して前記単結晶部材を内部加工層形成単結晶部材とする内部加工層形成単結晶部材の製造方法であって、
   レーザ光として連続波のレーザ光を用い、レーザ光の走査方向に沿った変質部を所定範囲のオフセット間隔で形成していくことで前記加工層とすることを特徴とする内部加工層形成単結晶部材の製造方法。
4. 前記オフセット間隔を、レーザ光の走査速度およびレーザ光の強度に基づいて設定することを特徴とする請求項３記載の内部加工層形成単結晶部材の製造方法。

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